tc yıldız teknik üniversitesi fen bilimleri enstitüsü bıodıesel ile çalışan
advertisement
T.C. YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ BIODIESEL İLE ÇALIŞAN DIESEL MOTORUNDA ECFM-3Z (EXTENDED COHERENT FLAME MODEL- 3 ZONES) MODELİNİN PERFORMANS VE EMİSYON SİMÜLASYONUNA YAKLAŞIMI ŞEYMA KARAHAN DOKTORA TEZİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI ENERJİ PROGRAMI DANIŞMAN PROF. DR. HAKAN KALELİ İSTANBUL, 2011 T.C. YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ BIODIESEL İLE ÇALIŞAN DIESEL MOTORUNDA ECFM-3Z (EXTENDED COHERENT FLAME MODEL- 3 ZONES) MODELİNİN PERFORMANS VE EMİSYON SİMÜLASYONUNA YAKLAŞIMI Şeyma KARAHAN tarafından hazırlanan tez çalışması 21.09.2011 tarihinde aşağıdaki jüri tarafından Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Anabilim Dalı’nda DOKTORA TEZİ olarak kabul edilmiştir. Tez Danışmanı Prof. Dr. Hakan KALELİ Yıldız Teknik Üniversitesi Jüri Üyeleri Prof. Dr. Hakan KALELİ Yıldız Teknik Üniversitesi _____________________ Prof. İrfan YAVAŞLIOL Yıldız Teknik Üniversitesi _____________________ Prof. Dr. Cem SORUŞBAY İstanbul Teknik Üniversitesi _____________________ Prof. Dr. Metin ERGENEMAN İstanbul Teknik Üniversitesi _____________________ Doç. Dr. Muammer ÖZKAN Yıldız Teknik Üniversitesi _____________________ Bu çalışma, TÜBİTAK Kamu Araştırmaları Destek Grubu’nun 105G039 numaralı Devlet Planlama Teşkilatı Müsteşarlığı’nın 5062104 numaralı projeleri ile desteklenmiştir. ÖNSÖZ Doktora Tezi çalışmamda benden bilgi ve tecrübelerini esirgemeyen danışmanlarım merhum Sayın Prof.Dr. Orhan DENİZ ve Prof.Dr. Hakan KALELİ’ye sonsuz teşekkürlerimi sunarım. Bu tez çalışmasının gerçekleşmesinde yardımlarını esirgemeyen, Prof. İrfan YAVAŞLIOL’a, Prof.Dr. Cem SORUŞBAY’a, Prof Dr Metin ERGENEMAN’a, Doç.Dr. Muammer ÖZKAN’a, Yrd. Doç.Dr. Tarkan SANDALCI’ya; STARCD programını kullanmama izin veren Marmara Üniversitesi Rektörü Sayın Prof. Dr Zafer GÜL’e, Yrd. Doç.Dr. Mustafa YILMAZ’a, Hasan KÖTEN’e; TÜBİTAK MAM Enerji Enstitüsü çalışanlarından Mak. Yük. Müh Emir AYDAR’a, Kimya Yük. Müh Özlem ATAÇ’a ve Kimya Yük. Müh Ömer Faruk GÜL’e; deney motorunun performans ve emisyon deneylerini gerçekleştirmemde yardımlarını esirgemeyen Anadolu Motor çalışanlarından Üretim Müdürü ZEKİ AYAZ’a, teknisyen Cavit MESTAN’a, TÜBİTAK MAM Çevre Enstitüsü çalışanlarından Dr. Özgen ERCAN’a, Baş Uzman Osman ÇOLAK’a Uzman Teknisyen Yavuz ŞAHİN’e ve Uzman Teknisyen Serhat ÇALI’ya, A-Ztech firmasından Zeki ERMAN’a, Ali ÖĞE’ye, Ceren GENÇ’e teşekkürlerimi ve şükranlarımı sunmayı bir borç bilirim. Ayrıca bu tezin hazırlanmasında bana yardımcı olan tüm çalışma arkadaşlarıma, çalışmalarım süresince bana sabır göstererek beni cesaretlendiren ve bana inanç vererek manevi desteklerini esirgemeyen anneme, babama, ablama, enişteme ve canım yeğenlerim Zeynep ve Zehra’ya sonsuz teşekkürlerimi sunarım. Bu tezi saygıdeğer hocam Prof.Dr. Orhan DENİZ’e, DENİZ ailesine ve aileme ithaf ediyorum. Ekim, 2011 Şeyma KARAHAN İÇİNDEKİLER Sayfa SİMGE LİSTESİ....................................................................................................................ix KISALTMA LİSTESİ ............................................................................................................ xiii ŞEKİL LİSTESİ .....................................................................................................................xv ÇİZELGE LİSTESİ .............................................................................................................. xvii ÖZET ................................................................................................................................. xx ABSTRACT....................................................................................................................... xxii BÖLÜM 1 ........................................................................................................................... 1 GİRİŞ .................................................................................................................................. 1 1.1 Literatür Özeti ............................................................................................. 1 1.2 Tezin Amacı ................................................................................................. 6 1.3 Orijinal Katkı ................................................................................................ 6 BÖLÜM 2 ........................................................................................................................... 7 DIESEL MOTORLARDA YANMA ve EMİSYON OLUŞUMU .................................................. 7 2.1 Diesel Motorlarda Yanma ........................................................................... 7 2.2 Diesel Motorlarda Emisyon Oluşumu ....................................................... 10 2.2.1 NOx Oluşumu ..................................................................................... 10 2.2.1.1 Termal NO Oluşumu ....................................................................... 11 2.2.1.2 Hızlı NO Oluşumu ............................................................................ 14 2.2.1.3 Yakıt NO Oluşumu ........................................................................... 15 2.2.1.4 NO2 Oluşumu .................................................................................. 16 2.2.1.5 N2O Oluşumu .................................................................................. 16 2.2.2 PM Oluşumu ...................................................................................... 16 2.3 Diesel Motorlarda Çalışma Parametrelerinin Motor Performansı ve Egzoz Emisyonlarına Etkisi ........................................................................................ 18 2.3.1 Püskürtme Avansının Motor Performansı ve Egzoz Emisyonlarına Etkisi ……………………………………………………………………………………………………18 2.3.2 Krank Açısı Başına Püskürtme Miktarının ve Kademeli Yakıt Püskürtülmesinin Yanma ve Egzoz Emisyonları Üzerine Etkileri ................ 20 v 2.3.3 Püskürtme Basıncın Motor Performansı ve Egzoz Emisyonlarına Etkisi………… ................................................................................................. 23 BÖLÜM 3 ......................................................................................................................... 26 DIESEL MOTORLARDA YAKIT OLARAK BIODIESEL KULLANILMASI VE LİTERATÜR ARAŞTIRMASI .................................................................................................................. 26 3.1 Biodieselin Genel Özellikleri ..................................................................... 26 3.2 Diesel ve Biodiesel Yakıt Özelliklerinin Karşılaştırılması ........................... 30 3.2.1 Özgül Kütle ............................................................................................. 30 3.2.2 Alevlenme Noktası ve Yanma Noktası ................................................... 30 3.2.3 Viskozite ................................................................................................. 31 3.2.4 Akma ve Bulutlanma Noktası ................................................................. 31 3.2.5 Setan Sayısı ............................................................................................ 32 3.2.6 Isıl Değer ................................................................................................ 32 3.2.7 Yakıtın Yüzey Gerilimi ............................................................................ 32 3.2.8 Yakıtın Yapısal Bileşimi ........................................................................... 33 3.3 Bitkisel Yağlar ve Biodiesel Kullanımı ile İlgili Literatürde Yapılmış Deneysel Çalışmalar ........................................................................................ 33 3.4 Araç Üreticilerinin Biodiesel Kullanımı ile ilgili Garantileri ....................... 50 BÖLÜM 4 ......................................................................................................................... 52 HESAPLAMALI AKIŞKANLAR DİNAMİĞİ İLE ÇOK BOYUTLU MODELLEME ....................... 52 4.1 Türbülans Modelleri .................................................................................. 53 4.2 Lagrange Çok Fazlı Akış Modelleme .......................................................... 56 4.3 Sprey Modelleme ...................................................................................... 57 4.3.1 Birincil Parçalanma Modelleri ................................................................ 57 4.3.2 İkincil Parçalanma Modelleri ................................................................. 61 4.4 Damlacıkların Çarpışması ve Birleşmesi .................................................... 64 4.5 Yanma Modelleri ....................................................................................... 65 4.5.1 Tek Bölgeli Yanma Modeli...................................................................... 66 4.5.2 İki Bölgeli Yanma Modeli........................................................................ 67 4.5.3 Çok Bölgeli Yanma Modelleri ................................................................. 69 BÖLÜM 5 ......................................................................................................................... 71 BIODIESEL ÜRETİMİ VE DENEYSEL ÇALIŞMA ................................................................... 71 5.1 Biodiesel Üretimi....................................................................................... 71 5.2 Motor Performans ve Egzoz Emisyon Deneyleri....................................... 75 5.2.1 Döndürme Momentinin Ölçülmesi .................................................... 77 5.2.2 Efektif Gücün Hesaplanması .............................................................. 78 5.2.3 Özgül Yakıt Tüketiminin Hesaplanması .............................................. 80 5.3 Egzoz Emisyon Ölçüm Sistemi ................................................................... 81 BÖLÜM 6 ......................................................................................................................... 83 HESAPLAMALI AKIŞKANLAR DİNAMİĞİ İLE SOĞUK AKIŞ VE YANMANIN MODELLENMESİ ........................................................................................................................................ 83 6.1 Geometri ve Katı Modelleme .................................................................... 83 vi 6.2 ES-ICE’da Yapılan Çalışmalar ..................................................................................... 84 6.2.1 Çözüm Ağ Yapısı ..................................................................................................... 84 6.2.2 Supab Kalkışı ve Yakıt Tanımlanması ..................................................................... 87 6.2.3 Başlangıç ve Sınır Koşulları ..................................................................................... 87 6.3 PROSTAR’da Soğuk Akış ve Yanma Simülasyonu ...................................................... 88 6.3.1 Temel Denklemler ve Çözüm Algoritması.............................................................. 92 6.3.2 Türbülansın Matematiksel Modeli ......................................................................... 92 6.3.3 Çok Fazlı Akış Modeli ............................................................................................. 93 6.3.3.1 Korunum Denklemleri ......................................................................................... 94 6.3.4 Birincil Parçalanmanın Matematiksel Modeli ........................................................ 97 6.3.5 İkincil Parçalanmanın Matematiksel Modeli ......................................................... 99 6.3.5.1 Kese ayrılması ................................................................................................... 100 6.3.5.2 Şerit Ayrılması ................................................................................................... 100 6.3.7 Buharlaşmanın Matematiksel Modeli.................................................................. 101 6.3.8 Duvar Etkileşim Modeli ........................................................................................ 101 6.3.9 Yanmanın Matematiksel Modeli .......................................................................... 102 6.3.9.1 Ön Karışımlı Yanma ........................................................................................... 103 6.3.9.2 Alev Sonrası Yanma ........................................................................................... 107 6.3.10 NOx Oluşumunun Matematiksel Modeli............................................................ 109 BÖLÜM 7 ....................................................................................................................... 110 MOTOR DENEY SONUÇLARI .......................................................................................... 110 7.1 3000 d/d Diesel Yakıtı Emisyonları için Toplam Bağıl Belirsizlik Hesapları..............113 7.2 3000 d/d Biodiesel Emisyonları için Toplam Bağıl Belirsizlik Hesapları………………..114 7.3 2800 d/d Diesel Yakıtı Emisyonları için Toplam Bağıl Belirsizlik Hesapları.…………..116 7.4 2800 d/d Biodiesel Yakıtı Emisyonları için Toplam Bağıl Belirsizlik Hesapları ........ 117 7.5 2600 d/d Diesel Yakıtı Emisyonları için Toplam Bağıl Belirsizlik Hesapları ............. 119 7.6 2600 d/d Biodiesel Yakıtı Emisyonları için Toplam Bağıl Belirsizlik Hesapları ........ 121 7.7 2400 d/d Diesel Yakıtı Emisyonları için Toplam Bağıl Belirsizlik Hesapları ............. 122 7.8 2400 d/d Biodiesel Yakıtı Emisyonları için Toplam Bağıl Belirsizlik Hesapları ........ 124 7.9 ppm-kWh Dönüşüm Hesabı .................................................................................... 137 7.9.1. 1.Yöntem……. ...................................................................................................... 137 7.9.2 2.Yöntem…….. ...................................................................................................... 138 7.10 Bosch İs Sayısının g/kWh’e Dönüşümü Dönüşümü (kg/s) .................................... 138 7.11 1 Enjektör Deliğinden Püskürtülen Yakıt Debisi Hesabı ....................................... 139 BÖLÜM 8 ....................................................................................................................... 146 DENEY VE SİMÜLASYON SONUÇLARININ KARŞILAŞTIRILMASI ..................................... 146 8.1 3000 d/d için Performans ve Emisyon Sonuçları .................................................... 147 8.2 2800 d/d için Performans ve Emisyon Sonuçları .................................... 151 8.3 2600 d/d için Performans ve Emisyon Sonuçları .................................... 154 8.4 2400 d/d için Performans ve Emisyon Sonuçları .................................... 158 vii SONUÇ ve ÖNERİLER ..................................................................................................... 164 KAYNAKLAR ................................................................................................................... 167 ÖZGEÇMİŞ ..................................................................................................................... 179 viii SİMGE LİSTESİ A, C Ad As BI Cam Ca1 C a2 Cb1 Cs1 Cμ Cd Cde c cp cp,d d Dd Dda Dm E F Fam Fb Fdr Fh,j Fm Fp f GKütle Hb Hub Hud h hbb heg hystok Katsayılar Damlacığın akış yönüne dik kesit alanı Damlacığın yüzey alanı Buharlaşma ısısı Katsayılar Katsayılar Katsayılar Sürükleme katsayısı Enjektör deşarj katsayısını Reaksiyon ilerleme değişkeni Karışımın özgül ısısı Damlacığın özgül ısısı Reynolds ortalamalı ilerleme değişkeni Damlacık çapı – Enjektör delik çapı Anlık damlacık çapı Buhar difüzyonu Aktivasyon enerjisi Kuvvet Sanal kütle kuvveti Yerçekiminden kaynaklanan bünye kuvveti Sürükleme kuvveti xj yönünde yayılan enerji akısı Kütle geciş hızı Damlacığa etkiyen basınç kuvveti Gecikme faktörü Kütle yayılım gücü Yanmış gazın entalpisi Biodieselin alt ısıl değeri Diesel yakıtının alt ısıl değeri Toplam ısı geçişi katsayısı Kaçak gaz entalpisi Egzoz gazı entalpisi Stokiometrik hava yakıt oranı ix hfg hin hy Kg ka Ki km Kε kı k L LA Ld Lt0 Md Mh My mbb md meg mh min ms msil my n Nu Oh Pe Pd P0 Psil Pt Pc Pv,s Qw Qkim R Rm Re Red Re(ω) r S Fiziksel faz değişim entalpisini Giriş havası entalpisi Yakıt entalpisi Kütle geçişi katsayısı Delik çıkışındaki ortalama türbülans kinetik enerjisi Reaksiyon hızı Sürekli faza ait ısıl iletkenlik katsayısı Deneysel katsayı Isıl iletim katsayısı Türbülans kinetik enerjisi Mesafe Atomizasyon uzunluk ölçeği Delik derinliği Türbülans uzunluğunun başlangıç değeri Döndürme momenti Havanın kütlesel debisi Yakıtın kütlesel debisi Kaçak gaz kütlesi Damlacık kütlesi Egzoz kütlesi Hava kütlesi Giriş hava kütlesi Sıvının kütlesel debisi Silindir kütlesi Yakıt kütlesi Motor devri Nusselt sayısı Ohnesorge sayısı Efektif güç Doyma basıncı Referans alınan mutlak basınç Silindir basıncı Gaz basıncı Çevre basıncı Damlacık yüzeyindeki buharın kısmi basıncı Damlacık etrafındaki buharın kısmi basıncı Duvar ısı transferi Kimyasal ısı Üniversal gaz sabiti Karışımın (gaz sabiti Reynolds sayısı Damlacığa ait Reynolds sayısı Dalga genişleme hızı Dönme eksenine olan uzaklık vektörü Alev yüzeyi, entropi x Si Sc Se Sm Sh T Tb Tc Td Tm T0 Tsi Tu U UL Up Usil ub ud u’ V Vh Vhava Vp Vsil Vt Vy Vegz We Yi,b Yi,u YY YTY Z xd ρb ρd ρdam ρh ρth ρty ρg ρs ρu ε Momentumla ilgili kaynak terim Schmidt sayısı Enerjiyle ilgili kaynak terim Kütleyle ilgili kaynak terim Sheerwood sayısı Sıcaklık Çevre basıncında kaynama sıcaklığı Kritik sıcaklık Damlacığın sıcaklığı Ortalama Sıcaklık Referans alınan mutlak sıcaklık (300 K) Silindir sıcaklığı Yanmamış gazların mutlak sıcaklığı Spesifik iç enerji Laminar alev hızı Zaman boyunca ortalama püskürtme hızını Silindir iç enerjisi Damlacık ve gaz bağıl hızı Damlacık hızı Türbülans yoğunluğu Yanmış gazların hacmi Strok hacmi Havanın hacimsel debisi Damlacığın hacmi Silindir hacmi Türbülans hızı Yakıtın hacimsel debisi Toplam hacimsel egzoz debisi Weber sayısı Yanmış reaksiyon ürünleri Yanmamış reaksiyon ürünleri için kütle oranı Yakıtın kütle akışının toplam yakıt karışımına oranı Yakıt izi kütle oranı Düzeltme faktörü Damlacığa ait konum vektörü Biodieselin yoğunluğu Diesel yakıtının yoğunluğu Damlacık yoğunluğu Havanın yoğunluğu Havanın egzoz sıcaklığına bağlı yoğunluğu Yakıtın egzoz sıcaklığına bağlı yoğunluğu Akış bölgesindeki gazın yoğunluğu Sıvının yoğunluğu , yanmış gazın yoğunluğu Yanmamış Türbülans kinetik enerjisi yayılım oranı xi εa ςb ςd ςdy ςs τA τb τc τij τl τM τp τt k ω ψ 0, , λ ηv νb νd μ μt μs φ Σ Σ, tΣ Ѓ Xartık i , t,i Delik çıkışındaki ortalama türbülans kinetik enerjisi yayılım değeri Biodieselin yüzey gerilimi Diesel yakıtının yüzey gerilimi Yüzey gerilim katsayısı Sıvı yüzey gerilimi Zaman ölçeği Karakteristik zaman Karakteristik zaman ölçeği Gerilme tensörü bileşenleri Laminar zaman ölçeği Momentum gevşeme zaman ölçeği Parçalanma süresi Türbülanslı zaman ölçeği Sprey koni açısı Özgül enerji yayılım oranı Açısal hız Katsayılar Hava fazlalık katsayısı Volümetrik verim Biodieselin kinematik vizkozitesi Diesel yakıtının kinematik vizkozitesi Moleküler viskozite Türbülanslı viskozite Sıvının vizkozitesi Basınç gradyanı Yüzey ısı akısı Eşdeğerlik oranı Alev alanı yoğunluğu Laminar ve türbülanslı Schmidt sayısı Türbülanslı net tutuşma gerilimi Artık gazların mol oranı Basınç gradyanı i reaksiyon elemanının reaksiyon oranı ve t,i i reaksiyon elemanının Schmidt sayısı Yb Yakıtın buharlaşma oranı Magnussen modeli ( H)i0 oluşum ısısı ( H)i0 Oluşum ısısı xii KISALTMA LİSTESİ AB Avrupa Birliği ASTM Amerikan Test ve Materyalleri Birliği AYME Ayçiçek Yağı Metil Esteri B10 %10 Biodiesel %90 Diesel Yakıtı Karışımı B100 %100 Biodiesel B75 %75 Biodiesel %25 Diesel Yakıtı Karışımı B2 %2 Biodiesel %98 Diesel Yakıtı Karışımı B20 %20 Biodiesel %80 Diesel Yakıtı Karışımı B25 %25 Biodiesel %75 Diesel Yakıtı Karışımı B5 %5 Biodiesel %95 Diesel Yakıtı Karışımı B50 %50 Biodiesel %50 Diesel Yakıtı Karışımı CFM Tutarlı Alev Modeli C2H2 Asetilen C3H3 Siklo Propenil Radikali C6H6 Benzen BİS Bosch is sayısı CN Siyanür CH2 Metilen CO Karbon Öonoksit CO2 Karbon Dioksit DDB Damlacık Deformasyon ve Parçalanma Modeli DNS Doğrudan Nümerik Simülasyon DP Direkt Püskürtme ECFM-3Z Extended Coherent Flame Model–3 Zones EDM Girdaplı Yayılma Modeli EDP Endirekt Püskürtme EGR Egzoz Gazı Geri Dönüşümü EN Avrupa Birliği Standardı EDP Endirekt Püskürtme FYEE Fındık Yağı Etil Esteri FYME Fındık Yağı Metil Esteri GTAB Geliştirilmiş Taylor-Analoji Parçalanma H Hidrojen Atomu H2 Hidrojen Molekülü xiii HAD HC HCN H2O H2SO4 KMA KYME MAM MARS NO NOx N 2, NO2 N 2O N2O3 N2O5 N2O4 O OH O2 PM OBD OH PAH PM PISO PYEE PYME RANS RNG RSM SOÇ SOF SO2 SST SYME TAB TG TS TÜBİTAK TYME ÜÖN YAME Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği Hidrokarbon Hidrojen Siyanür Su Sülfirik Asit Krank Mili Açısı Kanola Yağı Metil Esteri Marmara Araştırma Merkezi Monotone Advection and Reconstruction Scheme Azot Mononksit Azot Oksitler Azot Molekülü Azot Dioksit Diazot Monoksit Diazot Trioksit Diazot Pentoksit Diazot Tetraoksit Oksijen Atomu Hidroksil Radikali Oksijen Molekülü Partikül Madde On Board Diagnostic Hidroksil Radikali Polisiklik Aromatik Hidrokarbonlar Partikül Madde Pressure Implicit Splitting of Operator Pamuk Yağı Etil Esteri Pamuk Yağı Metil Esteri Reynolds Ortalama Nümerik Simülasyon Reynolds Yeniden Normalizasyon Grup Reynolds Gerilme Model Sauter Ortalama Çap Çözünür Organik Parçalar Kükürt Dioksit Kesme Gerilmesi İletimi Soya Yağı Metil Esteri Taylor-Analoji Parçalanma Tutuşma Gecikmesi Türk Standartları Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu Tütün Yağ Asidi Metil Esteri Üst Ölü Nokta Yağ Asidi Metil Esteri xiv ŞEKİL LİSTESİ Sayfa Şekil 2.1 Yakıt spreyi ......................................................................................................... 8 Şekil 2.2 Diesel motorda gerçekleşen prosesler ............................................................... 9 Şekil 2.3 Diesel motorda yanma ve emisyon oluşum bölgeleri ........................................ 9 Şekil 2.4 Hava fazlalık katsayısına göre emisyon oluşumu ............................................. 10 Şekil 3.1 Bitkisel yağların yakıt özelliklerinin iyileştirilmesi ............................................ 27 Şekil 3.2 Trigliserollerin alkol ile transesterifikasyonu.................................................... 28 Şekil 3.3 Biodiesel-Diesel yakıt karışım miktarlarına göre emisyon değerleri ................ 34 Şekil 4.1 Çok bölgeli termodinamik model ..................................................................... 52 Şekil 4.2 Türbülans kinetik enerji spektrumu ................................................................ 55 Şekil 4.3 Püskürtme mekanizması-ikincil parçalanma oluşumu .................................... 62 Şekil 4.4 Damlacıkların çarpışması ve birleşmesi ............................................................ 65 Şekil 4.5 Diesel motorda yanma prosesleri .................................................................... 65 Şekil 4.6 Tek bölgeli yanma modeli................................................................................. 66 Şekil 4.7 İki bölgeli yanma modeli ................................................................................... 68 Şekil 5.1 Biodiesel üretim düzeneği ................................................................................ 72 Şekil 5.2 Döner buharlaştırıcı ile metanol ayırma ........................................................... 73 Şekil 5.3 Biodiesel üretiminde saflaştırma ...................................................................... 73 Şekil 5.4 Deney motoru genel görünümü ....................................................................... 75 Şekil 5.5 Deney düzeneği ................................................................................................ 76 Şekil 5.6 Deney düzeneğinin şematik görünümü ........................................................... 77 Şekil 5.7 Deney düzeneğinde döndürme momentinin ölçülmesi ................................... 78 Şekil 5.8 Kaplin sistemi .................................................................................................... 79 Şekil 5.9 Kontrol paneli ................................................................................................... 79 Şekil 5.10 Deney düzeneğinde yakıt tüketiminin ölçülmesi ........................................... 80 Şekil 5.11 Deney düzeneğinde yakıt tüketiminin ölçülmesi ........................................... 80 Şekil 5.12 Emisyon ölçüm sistemi ................................................................................... 81 Şekil 6.1 Yanma odasının yüzey çözüm ağı ..................................................................... 84 Şekil 6.2 Yanma odasının hacim çözüm ağı ve kesit resmi ............................................. 85 Şekil 6.3 Farklı çözüm ağlarına göre maksimum silindir içi basınç değerleri .................. 86 Şekil 6.4 Çözüm ağı ......................................................................................................... 86 Şekil 6.5 PROSTAR’a alınan model geometri .................................................................. 88 Şekil 6.6 ECFM3Z bölgeleri ............................................................................................ 103 Şekil 7.1 Diesel yakıtı ve biodiesel için farklı hızlarda güç değerleri ............................. 140 xv Şekil 7.2 Diesel yakıtı ve biodiesel için farklı hızlarda tork değerleri ............................ 140 Şekil 7.3 Diesel yakıtı ve biodiesel için farklı hızlarda özgül yakıt tüketim değerleri .... 141 Şekil 7.4 Diesel yakıtı ve biodiesel için farklı hızlarda egzoz sıcaklık değerleri ............. 142 Şekil 7.5 Diesel yakıtı ve biodiesel için farklı hızlarda CO emisyon değerleri ............... 142 Şekil 7.6 Diesel yakıtı ve biodiesel için farklı hızlarda CO2 emisyon değerleri .............. 143 Şekil 7.7 Diesel yakıtı ve biodiesel için farklı hızlarda NO emisyon değerleri ............... 143 Şekil 7.8 Diesel yakıtı ve biodiesel için farklı hızlarda is emisyon değerleri .................. 143 Şekil 7.9 Diesel yakıtı ve biodiesel için farklı hızlarda egzoz gazlarındaki O2 ................ 144 Şekil 8.1 3000 d/d’da Biodiesel ve Diesel yakıtları için silindir içi sıcaklıklar ................ 149 Şekil 8.2 3000 d/d’da Biodiesel ve Diesel yakıtlarının yanma basınç diyagramı .......... 150 Şekil 8.3 2800 d/d’da Biodiesel ve Diesel yakıtları için silindir içi sıcaklıklar ................ 153 Şekil 8.4 2800 d/d’da Biodiesel ve Diesel yakıtlarının yanma zamanına ait basınç diyagramı ...................................................................................................................... 153 Şekil 8.5 2800 d/d’da Biodiesel ve Diesel yakıtları için silindir içi ısı açığa çıkış hızı ..... 154 Şekil 8.6 2600 d/d’da Biodiesel ve Diesel yakıtları için silindir içi sıcaklıklar ................ 156 Şekil 8.7 2600 d/d’da Biodiesel ve Diesel yakıtlarının yanma zamanına ait basınç diyagramı ...................................................................................................................... 157 Şekil 8.8 2600 d/d’da Biodiesel ve Diesel yakıtları için silindir içi ısı açığa çıkış hızı ..... 157 Şekil 8.9 2400 d/d’da Biodiesel ve Diesel yakıtları için silindir içi sıcaklıklar ................ 160 Şekil 8.10 2400 d/d’da Biodiesel ve Diesel yakıtları için silindir içi indikatör diyagramı ...................................................................................................................................... 160 Şekil 8.11 2400 d/d’da Biodiesel ve Diesel yakıtları için silindir içi ısı açığa çıkış hızı ... 161 xvi ÇİZELGE LİSTESİ Sayfa Çizelge 1.1 AB emisyon standartları (binek araçlar, kategori M1*) g/km ........................ 2 Çizelge 1.2 Ülkemizde hafif ticari araçları için emisyon standartları ................................ 2 Çizelge 3.1 Diesel ve biodiesel yakıtlarının önemli fiziksel ve kimyasal özellikleri ......... 29 Çizelge 3.2 Diesel yakıtı ve biodiesel özelliklerinin karşılaştırılması ............................... 33 Çizelge 3.3 Araç üreticilerinin biodiesel kullanımına garantileri .................................... 51 Çizelge 3.4 Yakıt püskürtme sistem üreticilerinin Biodiesel kullanımına garantileri ...... 51 Çizelge 4.1. Parçalanma türleri ....................................................................................... 62 Çizelge 4.2 Parçalanma türleri ve parçalanma süreleri .................................................. 62 Çizelge 5.1 Kolza yağının özellikleri................................................................................. 72 Çizelge 5.2 TS EN 14214 standardına göre biodiesel analizleri ...................................... 74 Çizelge 5.3 TS EN 590 standardına göre Diesel yakıtı analizleri...................................... 75 Çizelge 5.4 Deney motoru teknik özellikleri ................................................................... 76 Çizelge 6.1 Farklı çözüm ağlarına göre maksimum silindir içi basınç değerleri .............. 86 Çizelge 6.2 Diesel yakıtı gaz kromotografi analizleri ....................................................... 90 Çizelge 6.3 Biodiesel gaz kromotografi analizleri ........................................................... 91 Çizelge 6.4 Diesel yakıtı ve biodiesel simülasyonlarında kullanılan yakıt özellikleri ...... 91 Çizelge 6.5 RNG k- türbülans modelinin katsayıları .................................................... 93 Çizelge 7.1 Emisyon cihazının CO (500 ppm) için bağıl belirsizlik değeri ...................... 111 Çizelge 7.2 Emisyon cihazının CO (1000 ppm) için bağıl belirsizlik değeri .................... 111 Çizelge 7.3 Emisyon cihazının CO2 (%7) için bağıl belirsizlik değeri .............................. 111 Çizelge 7.4 Emisyon cihazının NO (1500 ppm) için bağıl belirsizlik değeri ................... 111 Çizelge 7.5 Emisyon cihazının O2 (%7) için bağıl belirsizlik değeri ................................ 112 Çizelge 7.6 Deney düzeneğinin toplam bağıl belirsizlik değeri ..................................... 113 Çizelge 7.7 Termokupul için toplam bağıl belirsizlik değeri .......................................... 113 Çizelge 7.8 CO (500 ppm) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri ................................. 113 Çizelge 7.9 O2 (%7) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri ........................................... 113 Çizelge 7.10 CO2 (%7) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri ....................................... 114 Çizelge 7.11 NO (1500 ppm) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri............................. 114 Çizelge 7.12 Deney düzeneğinin toplam bağıl belirsizlik değeri ................................... 114 Çizelge 7.13 Termokupul için toplam bağıl belirsizlik değeri ........................................ 114 Çizelge 7.14 CO (500 ppm) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri ............................... 115 Çizelge 7.15 O2 (%7) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri ......................................... 115 Çizelge 7.16 CO2 (%7) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri ....................................... 115 xvii Çizelge 7.17 NO (1500 ppm) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri............................. 116 Çizelge 7.18 Deney düzeneğinin toplam bağıl belirsizlik değeri ................................... 116 Çizelge 7.19 Termokupul için toplam belirsizlik değeri ................................................ 116 Çizelge 7.20 CO (500 ppm) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri ............................... 116 Çizelge 7.21 O2 (%7) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri ......................................... 117 Çizelge 7.22 CO2 (%7) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri ....................................... 117 Çizelge 7.23 NO (1500 ppm) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri............................. 117 Çizelge 7.24 Deney düzeneğinin toplam bağıl belirsizlik değeri ................................... 118 Çizelge 7.25 Termokupul için toplam bağıl belirsizlik değeri ........................................ 118 Çizelge 7.26 CO (500 ppm) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri ............................... 118 Çizelge 7.27 O2 (%7) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri ......................................... 118 Çizelge 7.28 CO2 (%7) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri ....................................... 119 Çizelge 7.29 NO (1500 ppm) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri............................. 119 Çizelge 7.30 Deney düzeneğinin toplam bağıl belirsizlik değeri ................................... 119 Çizelge 7.31 Termokupul için toplam belirsizlik değeri ................................................ 119 Çizelge 7.32 CO (1000 ppm) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri ............................. 120 Çizelge 7.33 O2 (%7) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri ......................................... 120 Çizelge 7.34 CO2 (%7) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri ....................................... 120 Çizelge 7.35 NO (1500 ppm) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri............................. 121 Çizelge 7.36 Deney düzeneğinin toplam bağıl belirsizlik değeri ................................... 121 Çizelge 7.37 Termokupul için toplam bağıl belirsizlik değeri ........................................ 121 Çizelge 7.38 CO (500 ppm) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri ............................... 121 Çizelge 7.39 O2 (%7) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri ......................................... 122 Çizelge 7.40 CO2 (%7) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri ....................................... 122 Çizelge 7.41 NO (1500 ppm) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri............................. 122 Çizelge 7.42 Deney düzeneğinin toplam bağıl belirsizlik değeri ................................... 123 Çizelge 7.43 Termokupul için toplam belirsizlik değeri ................................................ 123 Çizelge 7.44 CO (1000 ppm) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri ............................. 123 Çizelge 7.45 O2 (%7) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri ......................................... 123 Çizelge 7.46 CO2 (%7) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri ....................................... 124 Çizelge 7.47 NO (1500 ppm) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri............................. 124 Çizelge 7.48 Deney düzeneğinin toplam bağıl belirsizlik değeri ................................... 124 Çizelge 7.49 Termokupul için toplam bağıl belirsizlik değeri ........................................ 124 Çizelge 7.50 CO (1000 ppm) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri ............................. 125 Çizelge 7.51 O2 (%7) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri ......................................... 125 Çizelge 7.52 CO2 (%7) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri ....................................... 125 Çizelge 7.53 NO (1500 ppm) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri............................. 126 Çizelge 7.54 Diesel ve Biodiesel yakıtları için deney sonuçları ..................................... 127 Çizelge 7.54 Diesel ve Biodiesel yakıtları için deney sonuçları (devam) ...................... 128 Çizelge 7.54 Diesel ve Biodiesel yakıtları için deney sonuçları (devam) ....................... 129 Çizelge 7.54 Diesel ve Biodiesel yakıtları için deney sonuçları (devam) ....................... 130 Çizelge 7.54 Diesel ve Biodiesel yakıtları için deney sonuçları (devam) ....................... 131 Çizelge 7.54 Diesel ve Biodiesel yakıtları için deney sonuçları (devam) ....................... 132 Çizelge 7.54 Diesel ve Biodiesel yakıtları için deney sonuçları (devam) ....................... 133 Çizelge 7.54 Diesel ve Biodiesel yakıtları için deney sonuçları (devam) ....................... 134 xviii Çizelge 7.54 Diesel ve Biodiesel yakıtları için deney sonuçları (devam) ....................... 135 Çizelge 7.54 Diesel ve Biodiesel yakıtları için deney sonuçları (devam) ....................... 136 Çizelge 8.1 Simülasyon çalışmasında elde edilen güç ve emisyon değerleri ................ 147 Çizelge 8.2 3000 d/dk’da motorun deney ve simülasyon çalışma şartları ile performans ve emisyon değerleri..................................................................................................... 148 Çizelge 8.3 Çalışma şartları ........................................................................................... 150 Çizelge 8.4 2800 d/dk’da motorun deney ve simülasyon çalışma şartları ile performans ve emisyon değerleri..................................................................................................... 151 Çizelge 8.5 2600 d/dk’da motorun deney ve simülasyon çalışma şartları ile performans ve emisyon değerleri..................................................................................................... 155 Çizelge 8.6 2400 d/dk’da motorun deney ve simülasyon çalışma şartları ile performans ve emisyon değerleri..................................................................................................... 158 xix ÖZET BIODIESEL İLE ÇALIŞAN DIESEL MOTORUNDA ECFM-3Z (EXTENDED COHERENT FLAME MODEL- 3 ZONES) MODELİNİN PERFORMANS VE EMİSYON SİMÜLASYONUNA YAKLAŞIMI Şeyma KARAHAN Makine Mühendisliği Anabilim Dalı Doktora Tezi Tez Danışmanı: Prof.Dr. Hakan KALELİ Diesel motorlar ulaştırma sektöründe önemli role sahiptir. Diesel motorlarda kullanılan petrol kökenli yakıtlar yüksek miktarda aromatik bileşik ve kükürt içermekte, bunlarda çevre kirliliğine neden olmaktadır. Bu nedenle Diesel motorlardan kaynaklanan egzoz emisyonları çevre kirliliğini önemli derece etkilemektedir. Avrupa Birliği (AB) komisyonu Diesel motorlardan kaynaklanan egzoz emisyonlarını sınırlamak için 70/220/ EEC ana direktifini yayınlamıştır. Bu direktife bağlı Euro 5/6 için 2007/715/EC yönetmeliğini yayınlamıştır. Motor üreticileri bu emisyon değerlerini karşılayabilmek için yüksek performanslı ve düşük emisyonlu Diesel motorlar geliştirmeye yönelmiştir. Emisyon seviyelerinin düşmesi büyük ölçüde silindir içi karışım oluşumuna ve yanmya bağlıdır. Püskürtme süresi, püskürtme basıncı, püskürtme avansı ve damlacık sayısı gibi püskürtme sistemi parametreleri karışım oluşumunu ve yanma prosesini etkilemektedir. Bu nedenle atomizasyon, püskürtme parametreleri yakıt kalitesi emisyonlarda değişiklere sebep olur. xx Diesel motorlarda yanmanının matematiksel modellenmesi, ısı transferi, tutuşma, emisyon oluşumu, sprey dinamiği gibi fiziksel ve kimyasal proseslerin daha iyi anlaşılmasında çok önemlidir. Modelleme çalışması, aynı zamanda motor tasarımı esnasında emisyon oluşumu hakkında öngörüm sağlar. Bunlarla birlikte biodiesel, yenilenebilir ve emisyon seviyeleri düşük olduğundan günümüzde kullanılan en önemli alternatif motor yakıtlarından biridir. Bu çalışmada, Diesel motorunda biodiesel yakıtı kullanımı ile performans ve egzoz emisyonları için ECFM-3Z yanma modelinin deney sonuçlarına yaklaşımının irdelenmesi amaçlanmıştır. Bu kapsamda kanola yağından transesterifikasyon yöntemi ile saf biodiesel üretilmiştir. TS EN14214 standardına göre analizi yapılan saf biodieselin 3 LD 510 tipi direkt püskürtmeli Diesel motorunuda tam yükte ve farklı hız koşullarında performans ve emisyon deneyleri gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmadan sonra, saf biodiesel yanmasının simülasyonu için STAR-CD/ES-ICE programı kullanılarak Extended Coherent Flame Model–3 Zones/Genişletilmiş Tutarlı Alev Modeli-3 Bölgeli (ECFM-3Z) yanma modeli uygulanmıştır. Simülasyon çalışmalarında farklı motor hızlarında püskürtme avansı, püskürtme süresi ve damlacık sayısı değiştirilmiştir. Emisyon ve performans simülasyon sonuçları deney sonuçları ile karşılaştırılarak Diesel motorunda biodiesel yakıtı kullanımı ile performans ve egzoz emisyonları için ECFM-3Z yanma modelinin deney sonuçlarına yaklaşımı belirlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Biodiesel, ECFM-3Z yanma modeli, Diesel yakıtı, alternatif motor yakıtları, hesaplamalı akışkanlar dinamiği, egzoz emisyonları YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ xxi ABSTRACT APPROACH OF EXTENDED COHERENT FLAME MODEL-3 ZONES (ECFM-3Z) COMBUSTION MODEL TO THE PERFORMANCE AND EMISSIONS OF A DIESEL ENGINE RUNNING WITH BIODIESEL Şeyma KARAHAN Department of Mechanical Engineering PhD. Thesis Advisor: Assoc. Prof. Dr. Hakan KALELİ Diesel engines play an important role in the transportation sector. As petroleum fuels used in Diesel engines include high amount of aramatic compounds and sulphur, the impact of Diesel engine exhaust emissons on air pollution is very high. Thus, 70/220/ EEC Directive was published by European Union to limit the exhaust emissions emitted from Diesel engines. According to this directive, 2007/715/EC regulation is also published for Euro 5/6. Because of emision limitations, engine manufacturers aims to develop high performance and low emission Diesel engines to meet the regulations. Reduction of emissions level strongly depends on the mixture formation and combustion process xxii Parameters such as injection duration, injection pressure, start injection advance and droplet number effect the mixture formation and combustion process. So, changes in exhaust emissions are related to atomisation, injection parameters and fuel quality. Mathematical modeling of combustion in Diesel engines is very important for underlying physical and chemical processes such as heat transfer, ignition, emission formation, spray dynamics etc. It also helps to predict pollutant formation during the stage of engine design. In addition to these, biodiesel is one of the most prominent alternative motor fuel because of its ability to be renewable and low emissions. In this study, it is aimed to investigate the approach of ECFM-3Z Combustion Model to the performance and emissions of Diesel Engine running with Biodiesel. In the scope of this study, pure biodiesel is produced from rapeed oil via transesterification process. The pure biodiesel, which is analyzed according to the TS EN14214 standard, has been expiremented on type 3 LD 510 direct injection Diesel engine on full load and different speed conditions for performance and emission. After experimenatal study, 3 Zones Extendend Coherent Flame Model (ECFM-3Z) is applided to STAR-CD/ES-ICE programme for computing the combustion of biodiesel. Injection advance, injection duration and droplet number has been changed at different engine speeds for simulation studies. Emission and performance simulation results have been compared against the experiment results to investigate the approach of ECFM-3Z Combustion Model to the performance and emissions of Diesel Engine running with Biodiesel. Key words: Biodiesel, ECFM-3Z combustion model, Diesel fuel, alternative motor fuels, computational fluid dynamics, exhaust emissons YILDIZ TECHNICAL UNIVERSITY GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCE xxiii BÖLÜM 1 GİRİŞ 1.1 Literatür Özeti İnsanoğlunun enerjiye olan ihtiyacı artan dünya nüfusu ve gelişen teknoloji ile beraber artış göstermektedir. Dünya üzerindeki enerji kaynaklarına bakıldığı zaman kimi ülkeler bu kaynaklar bakımından çok zengin durumda iken kimi ülkeler ise yok denecek kadar az kaynağa sahiptir. Dolayısı ile enerji kaynakları eşit olarak dağılmış durumda değildir. Bu noktada enerji kaynaklarını elinde bulunduran ülkeler uluslararası politikalarda daha avantajlı ve söz sahibi olmaktadırlar. Ulaştırma sektöründe önümüzdeki yüzyılda daha fazla enerji gereksinimi olacağı öngörülmektedir. Bu nedenle de atmosfere salınacak olan karbon dioksit (CO2) miktarının da artacağı ön görülmektedir [1]. Dünyanın gelişen ve gelişmekte olan ülkelerinde ulaştırma ve taşımacılık sektöründe teknolojinin gelişmesi ile birlikte Diesel motorlar giderek önem kazanmaya başlamıştır. Diesel motorlarda kullanılan petrol kökenli yakıtlar yüksek miktarda aromatik bileşik ve kükürt içermekte, bunlarda çevre kirliliğine neden olmaktadır. Bu nedenle Diesel motorlardan kaynaklanan egzoz emisyonları çevre kirliliğini önemli derece etkilemektedir. AB komisyonu Diesel motorlardan kaynaklanan egzoz emisyonlarını sınırlamak için 70/220/ EEC ana direktifini yayınlamıştır. Bu direktife bağlı Euro 5/6 için 2007/715/EC yönetmeliğini yayınlamıştır. Çizelge 1.1’de yolcu araçları için AB emisyon standart değerleri görülmektedir. 2014 yılından itibaren EURO 6’ya geçilmesi beklenmektedir[2,3]. 1 Çizelge 1.1 AB emisyon standartları (binek araçlar, kategori M1*) g/km [3] Ülkemizde uygulanan hafif ticari araçlar için emisyon standartları ise Çizelge 1.2’de verilmektedir. Çizelge 1.2 Ülkemizde hafif ticari araçları için emisyon standartları [3] Tarih Standart Araçlar 2001.01 Euro 1 M1 Diesel Euro 3 M1 Benzin, araç üstü diyagnostik (OBD) yok 2007.01 Euro 4 Diesel ve Benzinli, OBD car Ağır ticari araçlarda ise Euro 1 emisyon standardı uygulanmaktadır. Emisyonlar sınırlandırılırken motor performansı da daha iyi hale getirilmelidir. Motor ve araç üreticileri bu direktifleri karşılayabilmek için yüksek performanslı ve düşük emisyonlu Diesel motorlar geliştirmeye yönelmişlerdir. Günümüzde araç üreticileri, yüksek basınçlı yakıt püskürtme sistemleri, kademeli püskürtme, egzoz gazı geri dönüşümü (EGR), üç yollu katalitik konvertör, partikül filtreleri, Diesel motor yönetimi tarafından püskürtme başlangıcının kontrolü gibi sistemlerden yararlanarak Diesel motorlu 2 araçlardan kaynaklanan egzoz emisyonlarını kabul edilebilir sınırlar içerisine çekmeye çalışmaktadır. Bununla birlikte (azot oksit) NOx ve partikül madde (PM) emisyon standartlarını karşılamak için kullanılan ek sistemler başka çevresel problemleri de beraberinde getirmektedir [2,3]. İçten yanmalı motorlarda emisyon değerlerinin iyileştirilebilmesi için öncelikli olarak silindir içi yanmanın iyileştirilmesi gerekmektedir. Diesel motorlarında yanmanın iyileştirilebilmesi doğrudan karışımın teşkili ile ilgilidir. Karışım teşkilinin iyi olması için, yakıtın parçalanarak zerrelere ayrılması, silindirdeki hava ile iyi bir yanma sağlayacak şekilde makro ve mikro karışımın sağlanması gerekmektedir [4]. Ayrıca, püskürtme süresi, püskürtme basıncı, püskürtmenin başlangıcı-bitişi ve demet sayısı gibi püskürtme sistemi parametreleri karışım oluşumunu, yanma prosesini ve dolayısı ile emisyonları etkilemektedir [4,5,6]. Hava kirliliğine ve iklim değişikliğine neden olan sera gazı emisyon değerlerinin azaltılması ve enerji güvenliğinin sağlanması amacıyla araç motor modifikasyonlarına ek olarak alternatif yakıtların da geliştirilerek ticarileştirilmesi ve kullanımın yaygınlaştırılması tüm ülkeler için öncelikli hedefler arasına girmiştir. Özellikle biyoyakıtlar, sıkıştırılmış doğal gaz, sıvılaştırılmış petrol gazı gibi çeşitli ticari yakıtlar önem kazanmaya başlamıştır. Alternatif motor yakıtlarından oksijenli yakıtlar, motorlarda yanmayı iyileştirerek emisyon problemini çözmek için kullanılan önemli bir yöntemdir. Oksijenli yakıtların alternatif motor yakıtı olarak içten yanmalı motorlarda kullanılması ve emisyon ve performans değerlerinin petrol kökenli yakıtlar ile karşılaştırılması her zaman gündemde olan bir konu olmuştur. Oksijenli yakıtlardan en büyük ilgiyi, metanol, etanol, etil tersiyer bütil eter ve metil tersiyer bütil eter görmüştür [7]. Bununla birlikte oksijenli yakıtların genellikle yenilenebilir kaynaklardan üretilebilmesi bu yakıtlara stratejik ve ekonomik bir önem kazandırmaktadır [1]. Benzinli motorlardan kaynaklanan emisyonlarda azalma sağlanabilmesi için oksijenli yakıtlardan metil tersiyer bütil eter ve etanol benzine belirli oranlarda karıştırılarak kullanılabilmektedir. Oksijenli yakıtların benzinli motorlarda kullanımı oksijenli 3 bileşiklerin Diesel yakıtına katkı olarak kullanımını tetiklemiştir. Oksijenli bileşikler yapısal olarak petrol kökenli Diesel yakıtına benzemektedir. Oksijen içeren yakıtlarda bir veya daha fazla oksijen atomu hidrokarbon zincirine bağlanmaktadır [8]. Günümüzde kullanımını önem kazanan oksijen içerikli yakıtlardan biodiesel, bitkisel, hayvansal veya atık yağlardan üretilen kütlesel olarak %10–12 oksijen içeren alternatif bir Diesel yakıtıdır. Bitkisel yağların Diesel motorda direk olarak kullanması ile motorlarda oluşturduğu problemler sebebiyle motor üreticileri fosil yakıtlara yönelmiştir. Bitkisel yağlar 1930–1940 ve 1973 yıllarında olan petrol krizi gibi sadece acil durumlar için Diesel motorlarda kullanılmıştır. Ancak bitkisel yağların Diesel yakıtına göre viskozitelerinin ve moleküler ağırlığının daha yüksek olması, zayıf yakıt atomizasyonuna, silindir içerisinde tortulara, yapışkan maddelere, karbon birikimine neden olmaktadır. Bu durum Diesel motorlarda ciddi problemler oluşturmuştur. Bitkisel, hayvansal veya atık bitkisel yağların Diesel motorda herhangi bir değişiklik yapılmadan kullanılabilmesi ve motorda sorun yaratmaması için Diesel yakıtına yakın özelliklere sahip bir yakıta dönüştürülmesi gerekmektedir. Yaygın olarak kullanılan transesterifikasyon reaksiyonu ile üretilen biodiesel, petrol rezervlerinin sınırlı olması, oksijenli yakıtların egzoz emisyonlarını azaltmadaki başarısı ve artan çevre kirliliği sebebiyle 1980’li yılların başında tekrar gündeme gelmiştir. Bu yöntem ile üretilen biodiesel fosil kökenli Diesel yakıtları ile yanma sonu emisyonları açısından karşılaştırıldığında; daha düşük karbon monoksit (CO), PM ve hidrokarbon (HC) emisyonu üretmektedir [9, 10, 11]. Biyoyakıt üretiminde hammadde olarak kullanılan biyokütle (bitkiler) büyürken fotosentez yolu ile havadan aldıkları CO2’yi enerjiye dönüştüğü zaman tekrar havaya vermektedir. Biokütle ve biyoyakıtların üretimi ve ulaştırması sırasında açığa çıkan emisyonlar dışında havaya net CO2 emisyonu salınmamaktadır. Bu nedenle biyoyakıtlar “iklimsel-nötr” olarak kabul edildiğinden iklim değişikliği politikalarında ve sera gazı emisyonlarının azaltılmasında önemli yer tutmaktadır. AB, 2010 yılında toplam motor yakıt tüketiminin %5,75’inin, 2020’de ise %10’unun biyoyakıt olmasını hedeflemiştir. Bu miktarın önemli bir bölümünün biodiesel olacağı tahmin edilmektedir [1]. 4 AB’de biodiesel üretimi artarken araçlarda Biodiesel kullanımında emisyon değerlerindeki değişiklikleri belirlemek amacıyla çalışmalar yapılmıştır. Emisyonlar açısından literatürde yapılmış olan çalışmalar incelendiğinde Diesel motorunda biodiesel kullanılması durumunda Diesel yakıtına göre emisyon değerlerinde (CO, PM, HC) azalma olduğu görülmüştür. NOx emisyonlarında ise aracın yaşına ve motorun devir sayısına bağlı olarak %10–18 azalma veya artma olduğu ifade edilmiştir. Tipik eski motorlarda %20 Biodiesel %80 Diesel Yakıtı Karışımı (B20) yakıtında %2 artış, saf biodiesel (B100) yakıtı kullanımında ise %10 artış görülürken, yeni motorlarda sırayla %4 artış ve %30 artış görülmüştür. Ayrıca Enerji Koruma Ajansı analizlerine göre NOx emisyonunda %5 biodiesel %95 Diesel Yakıtı Karışımı (B5) B5 yakıtı kullanımında değişiklik görülmezken, B20 yakıtında %2, B100 yakıtında ise %10 artma görülmüştür. PM’ de B5 yakıtında %5, B20 yakıtında %12 ve saf biodieselde %48 azalma görülmüştür [12] İçten yanmalı motorlarda karışım oluşumu ve yanmanın analizi hakkında detaylı bilgi edinmek ve yanmayı etkiyen parametreleri deneysel olarak incelemek oldukça zor ve pahalıdır. Bu nedenle matematiksel Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği yöntemi (HAD) ile nümerik olarak yanmanın etüdü ve motor tasarımı yaklaşımı günümüzde önemli bir yere sahiptir. Matematiksel modeller genelde termodinamik ve çok-boyutlu modeller olmak üzere ikiye ayrılır. Termodinamik modeller genelde kavramsal yaklaşımlarla, çevrim analizine yönelmektedir. Çok-boyutlu modellerde ise yanma odası içerisinde havanın ve yakıt damlacıklarının davranışları, konuma ve zamana bağlı olarak incelenebilmektedir [13]. HAD, günümüzde özellikle akışkan ile ilgili olan ürünlerin sanal ortamda nümerik analizlerinin yapılmasında ve performanslarının belirlenmesinde kullanılmaktadır. Mühendislik uygulama alanında karşılaşılan akışlar, karmaşık geometriler etrafında olup, oldukça üç-boyutlu, zamana bağlı olarak değişen, kopmalı ve türbülanslı akışlardır. Bu tür üç-boyutlu karmaşık akış problemlerinin HAD ile çözümü ve simülasyonları günümüzde yaygın olarak uygulanmaya başlanmıştır. Bu programlar ile süreklilik, momentum ve enerji denklemleri bilgisayar ortamında sayısal olarak 5 çözülmektedir. Ayrıca bilgisayar konusundaki gelişmeler ve yüksek performanslı donanıma düşük maliyetlerle sahip olma imkanı milyonlarca elemana sahip modellerle yapılan analizleri hızlandırmaktadır. Böylece HAD simülasyonları ile başarılı analizler elde edilme olup artık bütün bilim ve mühendislik alanlarında özellikle otomotiv uygulamalrında önemi artan bir rol oynamaktadır [14,15] 1.2 Tezin Amacı Bu çalışmada, Diesel motorunda biodiesel yakıtı kullanımı ile performans ve egzoz emisyonları için Extended Coherent Flame Model–3 Zones/Genişletilmiş Tutarlı Alev Modeli-3 Bölgeli (ECFM-3Z) yanma modelinin motor performans ve egzoz emisyonları bakımından gerçek deney sonuçlarına yaklaşımının irdelenmesi amaçlanmıştır. 1.3 Orijinal Katkı Bu çalışmada biodiesel ile çalışan 3 LD 510 tipi klasik direk püskürtmeli Diesel motorunda performans ve egzoz emisyonlarındaki (CO, CO2, SO2, NO) değişimler deneysel olarak incelenmiştir. Bu deneylerde elde edilmiş veriler modelleme çalışmasının yapıldığı STAR CD-ES-ICE programında kullanılmıştır. ECFM-3Z yanma modeli saf biodiesel ve Diesel yakıtı için uygulanarak farklı motor hızlarında püskürtme avansı, püskürtme süresi ve damlacık sayısı değiştirilerek simülasyon çalışması gerçekleştirilmiştir. Biodiesel için metil oleat, Diesel yakıtı için hepta metil nonan tanımlanarak STARCD programının ve ECFM-3Z yanma modelinin doğruluğu incelenmiştir. 6 BÖLÜM 2 DIESEL MOTORLARDA YANMA ve EMİSYON OLUŞUMU 2.1 Diesel Motorlarda Yanma Temelde yanma olayı, havadaki oksijen ile hidrokarbon yakıtların termo-kimyasal reaksiyonudur. Stokiyometrik denkleme göre tam yanma gerçekleştiği zaman CO2 ve H2O oluşmaktadır. Yanma prosesinde yanma gazları ile birlikte ısı da açığa çıkmaktadır. Yanma reaksiyonunun gerçekleşebilmesi için sıvı yakıtların öncelikli olarak gaz fazına geçmesi gerekmektedir. Diesel motorlarda yanma prosesi kararsız-heterojen üç boyutlu prosestir. Yanmanın temel çalışma prensibi yakıtın sahip olduğu kimyasal enerjinin ısı enerjisi şeklinde açığa çıkmasıdır. Diesel motorlarda gaz fazına geçen yakıt daha sonra havadaki O2 ile birleşip yanma olayı gerçekleşmeye başlar. Eğer tam yanma gerçekleşirse, reaksiyona giren tüm bileşenler ürünlere dönüşüp ısının tamamı ortaya çıkmaktadır. Ancak tam yanma için yakıtın tamamının gaz fazına ulaşması ve ortamda yeterli miktarda havanın bulunarak O2 ile uygun şekilde karışım (stokiyometrik karışım) ve tutuşma sağlaması gerekmektedir. İçten yanmalı motorlarda kullanılan yakıtların hava ile yanması sonucu CO2, su (H2O), sülfirik asit (SO2), oksijen molekülü (O2) ve azot molekülü (N2) gibi bileşenler oluşmaktadır. Eğer yanma tam değilse ve disosiyasyon varsa yukarıda emisyonlara ek olarak CO, hidrojen molekülü (H2), oksijen atomu (O), hidrojen atomu (H), NOx, is, PM, HC vb. ürünler de ortaya çıkacaktır [16, 17]. 7 Diesel motorlarda iyi ve tam yanmanın oluşabilmesi karışım oluşumuna bağlıdır. Genel anlamda karışım oluşumu yakıtın küçük zerrelere parçalanarak, silindirdeki hava ile iyi bir yanma sağlayacak şekilde homojen ve tam karışması ile sağlanmaktadır. Benzinli motorlarda yakıt ve hava silindirler içerisine karışım şeklinde alınmaktadır. Ancak Diesel motorlarda bu şekilde olmadığından yakıtın silindir içine alınması takiben karışımın 1530o Krank Mili Açısı (KMA) gibi kısa bir sürede hazırlanması gerekmektedir. Bu nedenle Diesel motorlar devir sayısı artışını sınırlayan en önemli etken karışım oluşumudur. İyi bir karışım oluşumu için atomizasyonun çok iyi olması gerekmektedir. Atomizasyonun iyileşmesi ile yakıt daha ince zerrelere ayrılmakta olup, yakıtın sıcak hava ile temas yüzeyi artmaktadır. Böylece, yakıtın kolay bir şekilde buharlaşması ile havanın içersindeki difüzyonu artarak karışım süresi kısalmak olup homojenliğini arttırmaktadır. Silindir içerisine alınan yakıtın tamamının yüksek bir yanma verimi ile yanmasını sağlamak yanma odası içindeki hava ile uygun bir şekilde karışması ile mümkündür. Gerçek anlamda iyi bir makro ve mikro karışımın teşkilinin sağlanabilmesi için silindir içinde hava hareketlerinin yaratılması ve türbülansın iyi olması zorunludur. Diesel motorlarda sıkıştırma zamanının sonlarına doğru enjektörden püskürtülen yakıt hava ile sürtünerek parçalanmaktadır. Yakıt demeti çevresinde sürtünmelerin fazlalığı nedeni ile bu bölgelerde parçalanma ve çevrede daha küçük taneli damlacıklar oluşmaktadır. Küçük taneli damlacıkların kütlelerine göre hava ile temas yüzeyleri daha fazla olduğundan ilk buharlaşan ve tutuşma için gerekli hava-yakıt oranı demetin dış kısımlarında başlar. Damlacıkların tutuşma gecikmesi (TG) süresinden sonra yanmaya başlaması, demet çevresinde birkaç noktada birden meydana gelebilir *4, 16]. Şekil 2.1’de yakıt spreyi görülmektedir. Şekil 2.1 Yakıt spreyi *16] 8 Benzinli motorlarda yanma, yanmış bölgeden yanan bölgeye enerji ve kütle iletimi sonucunda belli bir yön ve hızda gerçekleşmektedir. Ancak Diesel motorlarda yanma olayını etkileyen ve yanmayı devam ettiren yanma bölgesindeki sıcaklık, basınç, karışım oranı ve oksijen miktarını belirleyen yerel koşullardır. Yanmanın gelişimi aynı zamanda komşu bölgelerden olan ısı ve kütle iletimi ve yanma odasındaki hava hareketlerine de bağlıdır [4,16]. Şekil 2.2’de silindir içinde gerekleşen prosesler ve Şekil 2.3’te Diesel motorda yanma ve emisyon oluşum bölgelerigörülmektedir. Şekil 2.2 Diesel motorda gerçekleşen prosesler *18] Şekil 2.3 Diesel motorda yanma ve emisyon oluşum bölgeleri [19] 9 2.2 Diesel Motorlarda Emisyon Oluşumu Diesel motorda yakıt püskürtme sisteminin yapısı, püskürtme zamanı, püskürtme basıncı ve debisi, hava yakıt oranı, enjektör konumu vb. özellikler motor performansını ve kirletici emisyon miktarını belirlemek için çok önemli parametrelerdir. Hava/yakıt oranı CO, NO, HC ve aldehitler oluşumda çok önemli bir parametredir. Fakir karışımlarda CO ve HC oluşumu zengin karışımlara göre daha azdır. Hava fazlalık katsayısına (λ) göre emisyon oluşumu Şekil 2.4’de görülmektedir *20,21]. Şekil 2.4 Hava fazlalık katsayısına göre emisyon oluşumu [20] Diesel motorlarda en önemli kirleticiler NOx ve is’tir. Her ikisi de sağlık ve özellikle solunum ile ilgili problemlerin temel sebeplerindendir. 2.2.1 NOx Oluşumu Yanma esnasında oksijen varlığında aşağıdaki NOx bileşimleri olarak azot monoksit (NO), azot dioksit (NO2), diazot monoksit (N2O), diazot trioksit (N2O3), diazot tetraoksit (N2O4) ve diazot pentoksit (N2O5) açığa çıkmaktadır. NOx emisyonları oksijen varlığında oluşmakta olup daha çok NO, daha az miktarlarda NO2 ve N2O şeklindedir. Diğerleri eser miktarda oluşmaktadır. NO emisyonları toplam NOx emisyonlarının %90 kadarıdır. NO yüksek sıcaklıklarda kararlı olmasına rağmen, oda sıcaklığında NO2’ye oksitlenmektedir. Diesel motorlarda NO2/NO oranı %10–%30 arasındadır. Yanma teorisinde termal NO, hızlı NO ve yakıt NO olmak üzere 3 farklı NO 10 oluşma mekanizması bulunmaktadır *22+. NO’nun ana oluşum kaynağı emme havasından gelen moleküler N2’dir. Diesel motorlarda ön karışımlı alev fazında karışımın içeriği stokiyometri civarında değişken olup difüzyonlu alev fazında karışım stokiyometriye daha yakındır. Yanma prosesi başlarında yanan karışım miktarı arttıkça yanma sonucu oluşan basınç yanmamış karışımı sıkıştırarak sıcaklıkların artmasına ve dolayısı ile NO oluşumunun artmasına sebep olur. Genişleme strokunda bu gazlar hava veya soğuk yanmamış gazlar ile karışarak oluşan NO miktarının korunumuna neden olur. Böylece Diesel motorlarda NO sönmesi daha hızlı olup NO bozunum eğilimi daha azdır. Yapılmış çalışmalar göre NO, yanmanın başlangıcını takip eden ilk 20o KMA oluşmaktadır. Püskürtme geciktirildiğinde NO oluşumu da azalmaktadır. NO oluşumu sıcaklıklar ile artmakla birlikte artan yakıt/hava oranı ile de artmaktadır. Endirekt püskürtmeli (EDP) Diesel motorlarda yapılmış olan modelleme çalışmalarından oluşan NO’nun %35 kadarının ana yanma odasında kalanının ön yanma odasında oluştuğu ifade edilmiştir. Ön yanma odasında NO bozulması için yeterli süre yoktur ve ana yanma odasına transfer edilen NO’nun dönüşüm reaksiyonu hızlı bir şekilde soğuk hava ile karşılaşmaktadır. Konsantrasyonların sönmesi Üst Ölü Nokta’dan (ÜÖN) yaklaşık 15o KMA sonra olmaktadır [23]. 2.2.1.1 Termal NO Oluşumu Termal NO, Zeldovich mekanizmasına göre oluşmaktadır. Yüksek yanma sıcaklıkları havadaki oksijen molekülünün atomlarına ayrışmasına neden olmaktadır. Oluşan oksijen atomları havadaki azotu yanına alarak NO oluşumunu sağlar. NO dönüşümü yaklaşık 1000oC sıcaklıklarda başlar. 1300oC ve artan sıcaklıkla NO oluşumu da hızlanmaktadır. 1300oC’nin üzerinde artan her 100oC sıcaklık NOx oluşumunu 2 katına çıkarmaktadır. NO dönüşümü ortamdaki oksijen atomunu konsantrasyonu ile doğru orantılıdır. Stokiyometrik yanmada adyabatik alev sıcaklığı çok yüksek olduğu için bu çalışma şartlarında NO oluşumu en yüksektir. Gerçekte maksimum NO oluşumu stokiyometrinin fakir karışım bölgesinde oksijen konsantrasyonu çok yüksek 11 olduğundan bu bölgede oluşmaktadır. Ancak çok fakir karışımlarda adyabatik alev sıcaklığı düşüktür *22]. Termal NO veya Zeldovich NO Mekanizması, temelde üç reaksiyon ile oluşmaktadır. Termal NO mekanizması kimyasal denge kabulüne göre tanımlanmakta olup, ara basamakların ilerlemesi için atomik azota ihtiyaç duyulmaktadır. Atomik azot yüksek sıcaklıklarda fakir karışım bölgelerinde oksijen ile okside olmaktadır. Bu mekanizmaya Zeldovich Mekanizması olarak ifade edilmektedir. Stokiyometri civarında NO oluşum ve bozunum reaksiyonları (2.1) ve (2.2) aşağıda verilmektedir. O + N2 N + O2 K1 K1' K2 K, 2 (2.1) NO + N (2.2) NO + O Termal NO mekanizmamsına üçüncü bir reaksiyon da eklenerek Genişletilmiş Zeldovich Mekanizması (2.3) adı verilmektedir. N + OH K3 K, 3 (2.3) NO + H Bu reaksiyonlar, Arhenius tipi reaksiyonlar olup Ki =ATCexp (E/RT) (cm3/gmols) reaksiyon hızı ile ilerlemektedir. T: Sıcaklık (oK) E: Aktivasyon enerjisi (kJ/mol) R: Üniversal gaz sabiti A, C: Sabit sayılar Genişletilmiş Zeldovich Mekanizması, oksijen ve hidrojen radikallerinin NO oluşumu üzerine etkilerini de içermektedir. Bu radikaller denge kabulleri yapılarak hesaplanmaktadır. Bu kabuller ile ön görülen NO konsantrasyonları gerçek gözlem 12 konsantrasyonlarına göre daha düşük olmaktadır. Oksijen radikallerinin ölçümü ile ön görülen termal NO değerleri ölçülen değerler ile uyum göstermektedir. Termal NO reaksiyonları mikro saniyeler kadar kısa sürede gerçekleşmektedir. Sıcaklığa, kalma zamanına ve oksijen konsantrasyonlarına bağlıdır. İlk reaksiyonun gerçekleşmesinde N2 bağlarının kırılması için yüksek aktivasyon enerjisi gerektiğinden Zeldovich Mekanizmasının hızını belirleyen reaksiyon olarak kabul edilmektedir. Yüksek sıcaklıklar gerektiğinden termal olarak isimlendirilmektedir. Yüksek aktivasyon enerjisi sebebi ile bu mekanizma ile NO oluşumu yakıt bileşenlerinin oksidasyonuna göre daha düşük hızda ilerlemektedir. İlk reaksiyon için gerekli atomik oksijen için ise yine yüksek sıcaklığa ihtiyaç vardır. Son reaksiyon zengin karışımlarda gerçekleşmektedir. NO alev cephesinin içerisinde oluşmakla birlikte alevin arkasında kalan bölgede de oluşmaktadır. Yanma yüksek basınç altında gerçekleştiğinde alev içerisindeki reaksiyon bölgesi oldukça ince (yaklaşık 0,3 mm) ve kısa ömürlü olduğundan NO’nun daha çok alevin arkasındaki yüksek sıcaklı yanmış gaz bölgesinde oluştuğu kabul edilmektedir. Zengin yakıt/hava karışım bölgeleri hariç, NO’nun yalnızca küçük bir bölümünün alev içerisinde ve geri kalan büyük bölümünün alevin geçtiği bölgede kalan gazlar içerisinde oluşması sebebi ile yanmış gazların sıcaklığı, yanmanın hemen ardından oluşan sıcaklıktan daha yüksek sıcaklıklara ulaşmaktadır. NO oluşumunu (2.4) tanımlayan ana denklem; N2 + O2 (2.4) 2NO Toplam tersinir üç termal reaksiyon için NO oluşum oranı (2.5); d NO dt K1 N2 =2 O 1+ K-1K-2 NO K2 O2 K-1 NO 2 g mol cm s –3 –1 (2.5) K2 O2 + K3 OH Sadece ileri Zeldovich Mekanizmasının göz önüne alınabilmesi için NO ve hidroksil radikali (OH) başlangıç konsantrasyonları çok düşük kabul edildiğinde (2.6) [23]; 13 (2.6) dNO dt = 2K1 O N2 Bununla yanında NO oluşum oranı (2.7), (2.8), (2.9); (2.7) dNO dt = K1 O N2 + K2 N O2 + K3 N OH dN dt = K1 O N2 - K2 N O2 - K3 N OH ve dN/dt=0 kabul edildiğinde; (2.8) (2.9) dNO dt = 2K1 O N2 2.2.1.2 Hızlı NO Oluşumu Hızlı NO oluşum mekanizması ilk olarak Fenimore tarafından ifade edilmiştir. Bu mekanizmaya göre hidrokarbon-hava yanmasında karbon ve hidrojen radikallerinin azot üzerine çekilmesi ile siyanür (CN) ve hidrojen siyanür (HCN) oluşur. CN ve HCN radikalleri oksijen ve/veya hidroksil türleri ile oksidasyona uğrayarak NOx oluşmaktadır. Bu proseste yakıtın yanması esnasında hidrokarbon radikalleri açığa çıkmaktadır. Bu radikaller havadaki azot ile birleşir. Açığa çıkan ara ürünler havadaki oksijen ile okside olarak NOx açığa çıkmaktadır. Fenimore, yakıtça zengin alev bölgelerinde NO oluşum oranının daha fazla olduğunu gözlemlemiştir. Hızlı NO oluşumu yanmanın başlarında düşük sıcaklıklarda ve yakıt bakımından zengin karışımlarda oluşur *24,25]. Hızlı NO oluşumu (2.10) eşitliği ile açıklanabilmektedir *26, 27, 28] dNO dt (2.10) [CH][N2 ] Bu mekanizmayı açıklayan hidrokarbon alevlerindeki ana reaksiyon mekanizmaları (2.11) eşitliği ile aşağıda verilmektedir *23]. N2 + CHx HCN + N N2 + C2 2CN N + OH 2H (2.11) İlk reaksiyon NO oluşumundaki baskın reaksiyondur. HCN’nin hızlı NO oluşumunun %90'ında yer aldığı tahmin edilmektedir. Hidrokarbon alevlerinde hızlı NO oluşumlarında farklı hidrokarbon radikalleri de önerilmektedir. Ancak NO oluşumuna 14 esas katkı CH ve metilen (CH2)’den gelmektedir. Hidrokarbon radikalleri (2.12) reaksiyonlar ile HCN oluşumunu arttırmaktadır. N2 + CH N2 + CH2 N2 + CH2 HCN + N HCN + NH (2.12) H2CN + N [25]. HCN ve N seri şekilde hızlı reaksiyonlara girerek NO (2.13) oluşturmaktadır. N + O2 NO + O HCN + OH CN + O2 (2.13) CN + H2O NO + CO Hızlı NO oluşum mekanizmasının başlayabilmesi için hidrokarbona gereksinim duyulduğundan bu mekanizma yakıtça zengin bölgelerde oluşmaktadır. Bu reaksiyonun ilk basamağı (2.14) aşağıdaki şekildedir. CH + N2 (2.14) HCN + N HCN, birkaç basamak ile (2.15) atomik azota dönüşmektedir. HCN NCO NH (2.15) N Daha yüksek sıcaklıklarda (2.16) aşağıdaki reaksiyon ile N2 bağı kırılmaktadır. C + N2 (2.16) CN + N Azot atomları ile daha sonra okside olarak NO oluşmaktadır *27]. 2.2.1.3 Yakıt NO Oluşumu Yakıt NO oluşumu yakıtın içindeki azotun oksitlenmesi ile oluşmaktadır. Reaksiyonlar tam olarak bilinmemektedir. Yakıt kaynaklı azotun sadece az miktarı NO’ya dönüşmektedir. Yakıttaki azotun bir kısmı N2 şeklinde açığa çıkmaktadır. Diesel yakıtında azot içeriği çok düşük olup genellikle ağırlıksal olarak % 0,01’den daha azdır. Diesel motorlar için yakıt kaynaklı NO oluşumu bir problem değildir *22]. 15 2.2.1.4 NO2 Oluşumu Diesel motorlarda NO2 oranı NOx’ler içerisinde %30'lara kadar çıkmaktadır. Kimyasal denge hesaplamaları ile yanmış gazlarda alevdeki sıcaklık artışıyla NO2 konsantrasyonunun NO ile kıyaslandığında reaksiyon tipine bağlı olarak NO’nun hızlı bir şekilde NO2 ye dönebileceğinden (2.17) öneminin azalacağı görülmektedir. NO + HO2 (2.17) NO2 + OH NO2 alev içerisinde soğutucu bir akışkanla karşılaşmadığı sürece NO’ya (2.18) dönüşmektedir. NO2 + O (2.18) NO + O2 Benzinli motorlarda rölantide çalışma durumunda NO2 oranı artmaktadır. Ancak Diesel motorlarda birçok soğuk bölge olduğundan dolayı NO’nun NO ya dönüşümü kısmi yüklerde olmaktadır. Bununla birlikte düşük hızlarda gazlar oksijen ile daha uzun süre temas halinde olduğundan NO2 egzoz gazları içerisinde de oluşabilmektedir. NO2 konsantrasyonu hıza ve yüke bağlı olup kısmi yüklerde daha yüksektir. 2.2.1.5 N2O Oluşumu Diesel motorlarda az miktarda N2O açığa çıkmakta olup gaz fazda ara ürün olan NH ve NCO’nun NO ile reaksiyona girmesinden (2.19) oluşur [28]. NH + NO NCO + NO (2.19) N2O + H (2.20) N2O + CO 2.2.2 PM Oluşumu Yakıtın tam yanmaması is olarak adlandırılan katı karbon parçacıklarının birikmesine neden olur. Diesel yakıt partikülleri yanma esnasında meydana gelen, çeşitli çözünür organik parçaların (SOF) içerildiği, yanmayı takip eden safhalarda üzerinde yoğuşmuş partiküllerden oluşan bir karbon (is) oluşumudur. SOF, yanmamış hidrokarbonları, ketonlar, esterler, aldehitler gibi oksitlenmiş türevleri ve polisiklik aromatik 16 hidrokarbonları (PAH) içerir. Bunlara ek olarak az miktarda SO2 ve NO2 ve kükürtler de is bünyesinde bulunur. İs partiküllerinin içeriği motor çalışma koşullarına ve özellikle egzoz sıcaklığına bağlıdır. 5000C üzerinde çapları yaklaşık 15 ila 30 nm olan karbon küreleri oluşturacak şekilde bir araya gelirler. Bu sıcaklığın altına partiküller SOF ile kaplanırlar. Egzoz sisteminde ilerlemeleri esnasında partikül çaplarındaki büyüme, buhar fazında organik elemanların is üzerindeki yoğuşmasının devam etmesi nedeniyle PAH içeriğinin artmasından dolayıdır. Gaz moleküllerinin yoğunlaşması ve daha sonrasında katı partiküllere halinde birikmeleri karmaşık bir proses olduğu için is miktarının doğru olarak tahmin edilmesi halen araştırmaya açık bir konudur. Pahalı fakat detaylı tanımlama yapabilen modeller mevcuttur. Motor çalışma şartlarını egzoz gazı is konsantrasyonuna bağlayan ampirik bağıntılar bir yere kadar geçerlidir. İs oluşumunun genel basamakları şöyle açıklanabilir: Yakıt moleküllerinin ayrılması sırasında siklopropenil radikali (C3H3) ve asetilen (C2H2) oluşumu Zengin yakıt şarlarında C3H3 ve C2H2’nin alifatik benzene (C6H6) yeniden birleşmesi C6H6’nın yeniden düzenlenmesiyle is partiküllerinin öncüsü olan PAH oluşumu Koagülasyon ve yüzey büyümesinden dolayı partiküllerin büyümesi Başta OH olmak üzere O ve O2 ile bazı is partiküllerinin okside olması *21]. Direkt püskürtmeli (DP) Diesel motorlar yakıt ekonomisi açısından daha avantajlı olup çok delikli (5–7 adet) enjektör ve yakıtın buharlaşması ve yapıdaki karbonun serbest kalarak (piroliz) yanması hızlanması sebebiyle yüksek püskürtme basıncı kullanılması durumunda daha az miktarda is emisyonu oluşmaktadır. Sonuç olarak içinde hala çok miktarda yanmamış C olan alev cephesi, düşük basınçlı püskürtme halinden (alışılmış halinden) farklı olarak, yanma odasının soğuk çeperlerine ulaşamadan yanmakta ve tam yanma gerçekleşmektedir. Böylece yanma odası duvarlarında alev sönmesi olmadığından is emisyonları azalmaktadır *29]. 17 İs konsantrasyonunun hesaplanmasında temel pozitif kaynak nükleasyonundan gelir. Nükleasyonun (2.21) aşağıdaki reaksiyon ile başlatıldığı düşünülmektedir. C3H3 + C3H3 (2.21) C6H6 Bir varsayıma göre bir tek is parçacığının oluşması için C6H6 molekülü gereklidir. Yüzey büyümesi veya oksidasyon prosesi is konsantrasyonunu değiştirmez. İs konsantrasyonu ifadesinde temel negatif kaynak koagülasyondur [21]. 2.3 Diesel Motorlarda Çalışma Parametrelerinin Motor Performansı ve Egzoz Emisyonlarına Etkisi 2.3.1 Püskürtme Avansının Motor Performansı ve Egzoz Emisyonlarına Etkisi Diesel motorlarda performans ve egzoz emisyonlarını etkileyen temel parametrelerden biri püskürtme zamanlamasıdır. Yakıt püskürtme süresi krank açısı olarak yanmanın başlama süresini belirler. Yakıt püskürtme oranı, delik sayısı ve yakıt püskürtme basıncı Diesel yakıtının sprey karakterini ve hava ile karışımı etkilemektedir *30, 31]. Püskürtme zamanlamasının farklı çalışma koşulları için belirlenmesi TG ve dolayısıyla ön karışımlı fazda tutuşan yakıt miktarı açısından önemlidir. Sıkıştırma oranı, yanma odası tasarımı, silindire alınan havanın basınç ve sıcaklığı, yakıt kalitesi ve motor hızına göre optimum püskürtme avansı ve basıncı belirlenmelidir. Püskürtmenin erken olması motor vuruntusu bakımından olumsuz olan TG süresine sebep olmaktadır. Geç püskürtme ise yanma sonunu geciktirip fazla ısı kaybına ve düşük ortalama efektif basınca sebep olmaktadır *32,33]. Haşimoğlu ve İçingür *34] ile Andreews [35+ tarafından püskürtme avansının arttırılması ile yakıtın daha düşük sıcaklığa sahip olan düşük basınçlı bir ortama püskürtüldüğü ve bunun da TG süresini uzattığı ifade edilmiştir. TG süresinin uzaması ile bu zaman boyunca püskürtülen yakıtın miktarı artacağından yakıt ile havanın karışma şansı daha yüksek olur. Daha önce de ifade edildiği gibi yüksek NO oluşumu genellikle yakıtın önceden karışan miktarı ile ilgilidir. Püskürtme geciktirildiğinde ise TG daha kısa olur ve yakıtın önceden karışma miktarı azalır. 18 zamanı Böylece NO oluşumu azalır. Püskürtme zamanının gecikmesinin NO oluşumu üzerindeki etkisi istenen bir durum olduğu için, NOx emisyonlarını azaltmak etkili bir yöntem olmaktadır. Ancak NO miktarı azalırken yakıt tüketimi artmaktadır. İstenmeyen bu durum gerekli önlemlerin alınmasıyla engellenebilir *36]. Püskürtme avansı en uygun değerde olursa motordan maksimum ısıl verim ve tork alınmakta olup mekanik ve ısıl zorlanmalar olmamaktadır *37]. Yukarıda da ifade edildiği gibi püskürtme zamanlaması veya püskürtmenin başlangıcı tüm motor karakteristiklerini büyük oranda etkileyen çok önemli bir parametredir. Püskürtme zamanlaması hava-yakıtın karışım kalitesini ve buna bağlı olarak emisyonları da oluşturan yanma olayını etkilemektedir. Püskürtme geciktirildiğinde silindir içi maksimum basınçlar ve sıcaklıklar azalmakta olup ve ısı transfer hızı azalmaktadır. Sıcaklıklar azaldığından NOx emisyonları da azalmaktadır. NOx emisyonları azalırken yakıt tüketimi ve is emisyonları artmaktadır *37,38]. Aktaş ve Sekmen *39+, yaptıkları çalışmada püskürtme zamanlamasının motor performans ve egzoz emisyonlarını etkileyen temel parametrelerden birisi olduğunu ifade etmişlerdir. Bu nedenle LD 400 model tek silindirli 4 zamanlı DP bir Diesel motorda farklı püskürtme avans değerleri için Biodieselin motor performansı ve emisyonlarına etkileri belirlenmiştir. Püskürtme zamanlaması 24,9°, 26,6° ve 28,5° KMA için tam yükte motor torku, efektif güç, özgül yakıt tüketimi, egzoz gaz sıcaklıkları ile CO, HC ve NOx emisyonları ölçülmüştür. Biodiesel ile çalışmada püskürtme avansının 26,6° KMA’ ya artırılmasıyla motor momenti ve efektif güçte yaklaşık %6’ya kadar artış ve özgül yakıt tüketiminde %8’e kadar iyileşme gözlenmiştir. Ayrıca, CO ve HC emisyonlarında azalma elde edilirken, NOx emisyonlarında %4–11 arasında değişen artışlar olduğu ifade edilmiştir. Pandian vd. [40+, yaptıkları çalışmada Diesel motorlarda Biodiesel kullanıldığında NOx emisyonlarının arttığını ifade etmişlerdir. NOx emisyon değerlerini azaltmak için püskürtme zamanlaması ve avansının önemli olduğu vurgulamışlardır. Bu çalışmada püskürtme zamanlamasının özgül yakıt tüketimi, termal verim ve egzoz emisyonları üzerine etkilerini belirlemişlerdir. Çalışmada 2 silindirli 4 zamanlı DP Diesel motor kullanmışlardır. Püskürtme zamanları ÜÖN’dan 18°, 21°, 24°, 27° ve 30° KMA önce 19 olarak seçilmiştir. Deney sonuçlarına göre püskürtme zamanlaması ÜÖN’ya göre 24o KMA’dan 18o KMA’ya geciktirildiğinde NOx emisyonlarında %35 azalma, özgül yakıt tüketimi, CO ve HC emisyonlarının ise sırayla %3, %12,65 ve %10 arttığı gözlemlenmiştir. Termal verim ise %3,08 azalmıştır. Püskürtme zamanlaması avans verilerek ÜÖN’dan 30o KMA önce olduğu zaman ise NOx emisyonları %25 artmıştır. Özgül yakıt tüketimi, CO ve HC emisyonlarının ise sırayla % 6,27, %32 ve %14,44 artığı gözlemlenmiştir. Termal verim ise %5,09 iyileşmiştir. Leung vd. [41+, yaptıkları çalışmada tek silindirli su soğutmalı DP Diesel motorda püskürtme zamanı ve püskürtme basıncı gibi motor parametrelerini değiştirerek biodiesel kullanımında egzoz emisyon değerlerini optimize etmeye çalışmışlardır. Deney sonuçlarında biodiesel kullanımında PM ve HC emisyon değerlerinde azalma gözlenirken, özellikle yüksek yüklerde NOx emisyon değerlerinde artış gözlenmiştir. HC emisyonlarında yükleme aralığında %4–17 civarında azalma gözlenmiştir. PM emisyonları ise artan yük ile birlikten azalmış olup en yüksek yüklerde %50 seviyelerinde azalma olmuştur. Püskürtme avansı geciktirildiğinde, TG’nin azaldığı ve silindir içi maksimum basıncın azaldığı ifade edilmiştir. Silindir içi yanma sıcaklıları ve ısı çıkışı da azaldığı için NO x emisyonlarının azaldığı ifade edilmiştir. PM emisyonları göz önüne alındığında yüksek yüklerde püskürtme basıncı arttığı zaman düşmekte, düşük yüklerde ise artmaktadır. Ayrıca püskürtme basıncı arttığı zaman, hava/yakıt karışımını iyileştirdiği ve silindir duvar sıcaklıklarını arttırdığı ifade edilmektedir. Bu sebeple NOx emisyonlarının düştüğü ifade edilmektedir. 2.3.2 Krank Açısı Başına Püskürtme Miktarının ve Kademeli Yakıt Püskürtülmesinin Yanma ve Egzoz Emisyonları Üzerine Etkileri Püskürtme kanunu, püskürtme sistemi tarafından birim zamanda veya birim KMA başına enjektörden püskürtülen yakıt miktarı ile belirlenmektedir. Püskürtme kanunu TG süresince ve ondan sonra yanma odasına püskürtülen yakıt miktarını ve yanmayı etkilemektedir. Bu nedenle yakıtın yanma odasına gönderiliş hızı, motorun yumuşak çalışmasını ve yanma verimini etkilemektedir. Çevrimin ısıl veriminin yüksek olması için 20 yanma sonu elde edilen maksimum basıncın ÜÖN’dan 10-15o KMA kadar sonra olması gerekmektedir. Bununla birlikte motorun yumuşak çalışabilmesi için TG süresi boyunca yanma odasına püskürtülen yakıt miktarı az tutulmalıdır. Fakat bu durum toplam püskürtme süresini uzatmaktadır *16]. Püskürtme oranının arttırılması ile yakıt/hava oranı ve yanma daha hızlı olur ve yüksek ısı açığa çıkış oranlarının elde edilmesi sağlanır. Böylece NOx emisyonları artar ve is ile PM emisyonları azalır. Püskürtme oranı enjektör delik alanına ve püskürtme basıncına bağlıdır. Artan püskürtme oranı en uygun püskürtme zamanı için yüksek ısı açığa çıkış oranı, kısa yanma prosesi ve minimum fren özgül yakıt tüketimi değerlerinin elde edilmesini sağlamaktadır. Diesel motorlarda yükü arttırmak, sabit bir hızda alınan aynı miktar hava oranı için yakıt miktarının artacağı anlamına gelir. Yakıt miktarı arttıkça daha çok ısı açığa çıkarak yanma sıcaklıkları artar. Böylece, Zeldovich ve Genişletilmiş Zeldovich Mekanizmaları ile tarif edilen kimyasal reaksiyonların meydana gelmesi için gerekli enerjinin ortaya çıkmasını sağlanır. Bu da ortamda N2 ve O2 olduğu sürece daha fazla NOx oluşumuna neden olur *36, 41]. Günümüz püskürtme teknolojisinde yanma gürültüsü ve egzoz emisyonlarının azaltılması ve motor performansının arttırılması ayrıca Diesel motorlarda NOx problemini ortadan kaldırmak için pilot püskürtme ve kademeli püskürtme sistemleri geliştirilmiştir. Bu yöntemde, silindire önce az miktarda (~0,5–1,5 mm3) yakıt püskürtülür. Püskürtülen bu yakıt hemen yanarak yanma odasının ısınmasını sağlayarak esas yanmaya yönelik ideal şartları oluşturur *42+. Pilot püskürtme teknolojisi ile düşük yük bölgelerindeki hidrokarbon emisyonları, NOx emisyonları ve yanmadan kaynaklanan gürültü kirliliği azalmaktadır. Yanma gürültüsü ve emisyon değerlerinin azalması pilot püskürtme zamanının geciktirilmesi ve pilot yakıtın azaltılması ile sağlanabilmektedir. Ancak pilot yakıt miktarının çok azaltılması ve püskürtme zamanının geciktirilmesi pilot yanmayı kötüleştireceğinden miktar ve zamanın belirli bir değer aralığında sınırlandırılması gerekmektedir *43]. Nehmer ve Reitz [44+, yaptıkları çalışmada kademeli püskürtmenin emisyonlara etkisini belirlemek için deneysel çalışma yapmışlardır. Araştırmacılar yaptıkları çalışmada %10, %25 ve %75 pilot püskürtme yapmışlardır. Bu çalışma ile 25–75, 50–50 ve 75–25 21 şeklindeki iki fazlı püskürtmede NOx emisyonlarında azalma, is emisyonlarında ise az miktarda artış gözlemlemişlerdir. 10–90 şeklindeki pilot püskürtmede püskürtülen yakıtın çoğu ön karışımlı yanma ile yanmış, ikinci püskürtmede ise difüzyon yanması olduğu ifade edilmiştir. Pierpont vd. [45+, yaptıkları deneysel çalışmada kademeli püskürtmede pilot püskürtme esnasında püskürtülen yakıt miktarının is oluşumuna etki ettiğini ancak NOx emisyon seviyelerinin aynı kaldığını ifade etmişlerdir. Ancak enjektör püskürtme açısının da önemini vurgulamışlardır. 125o püskürtme açısı ile pilot püskürtmede %50– 60 civarında yakıt püskürtüldüğünde iyi sonuçlar elde edilmiştir. Ayrıca EGR ve kademeli püskürtme uygulandığında %75 yükte ve 1600 d/d’da partikül ve NOx emisyon seviyelerinin sırayla 0,093 ve 2,95 g/kWh seviyelerine düştüğü gözlemlenmiştir *46] Kim vd. [47+, yaptıkları çalışmada biodiesel kullanımında kademeli püskürtmenin NOx ve is emisyonlarına etkilerini belirlemek için tek silindirli DP ortak hatlı yakıt püskürtme sistemine sahip bir Diesel motorda deney yapmışlardır. Deneylerde kullanılan Biodiesel soya yağından elde edilmiştir. Deneyler sabit 1500 d/d’da yürütülmüş olup, püskürtme basıncı 100 MPa’dır. EGR uygulanmamıştır. Kademeli püskürtme 2 fazda gerçekleştirilmiştir. 12 mg yakıt püskürtme 2 faza bölünmüştür. Püskürtme oranları ve püskürtme süreleri kısaltılmıştır. Deney sonuçlarına göre püskürtme 2 faza bölündüğünde tek püskürtmeye göre yanma basıncı ve ısı açığa çıkış hızı sırayla 1,68 MPa ve 45 J/°KMA azalmaktadır. Bu nedenle NOx emisyonları azalmaktadır. Tek püskürtme durumunda püskürtme zamanını geciktirmekte is emisyonlarının arttığı gözlenmiştir. Ancak kademeli püskürtme yapıldığında, püskürtme geciktirildiğinde is emisyonlarında azalma gözlenmiştir. Kademeli püskürtme durumunda CO ve HC emisyonlarının tek püskürtmeye göre daha fazla olduğu gözlemlenmiştir. Bu durum yanma süresinin uzaması ve indike termal verimin azalması şeklinde ifade edilmiştir. Ogawa vd. [48+, yaptıkları çalışmada DP bir Diesel motor kullanmışlardır. Deneyde kullanılan motora ortak hat püskürtme sistemi eklenmiştir. Püskürtme zamanlaması isteğe bağlı değiştirilebilmektedir. Çalışmada yakıt pilot ve ana püskürtme olarak iki fazda silindire püskürtülmüştür. Pilot püskürtme Diesel motorda egzoz gaz 22 emisyonlarının azaltılmasına olanak sağlamaktadır. Bu ön püskürtme özellikle NO x emisyonlarında ve motor gürültüsünde azalmaya neden olmaktadır. 2.3.3 Püskürtme Basıncın Motor Performansı ve Egzoz Emisyonlarına Etkisi İçten yanmalı motorlarda yanma reaksiyonlarının hızı; yanma odasına alınan dolgunun enerji seviyesi, yoğunluğu ve ekzotermik reaksiyon oluşturan molekül çarpışmalarının sıcaklığına bağlı olarak değişmektedir. Diesel motorlarda karışımın oluşum ve TG süreleri benzinli motorlara göre daha uzun sürdüğünden fakir karışımlarda daha büyük HFK ile çalışmak daha uygun olmaktadır. Püskürtme basıncı arttığında yakıtın enjektörden çıkış hızı da artarak tanecik çapları küçülür ve taneciklerin dağılım aralığı da azalır. Küçük çaplı taneciklerin ataleti büyük çaplı taneciklere göre daha düşük olduğundan nüfuz derinliği daha kısa olur ve TG süresi kısalır. Ayrıca tanecikler yanma odasının her tarafına tamamen dağılmadan yanma başlayacağı için NOx oluşumu azalır. Püskürtme basıncı azaldığı zaman yakıt huzmesindeki taneciklerin çapı büyümekte ve büyüyen taneciklerin ataleti de büyük olacağı için bir önceki çevrimden dolayı soğumuş silindir cidarları ile piston çeperlerine ulaşımı kolay olur. Bu damlacıklar burada yanmadan soğuyacağı için tam yanma gerçekleşmez. Bununla birlikte tanecik çapının büyümesi TG süresinin uzamasına yol açar ve yanma tamamlanmadan egzoz zamanı başlayarak tam yanma olmadan egzoz gazları dışarı atılmaktadır *49]. Yukarıda da ifade edildiği gibi Diesel motorlarda püskürtme basıncının, motor performansı ve emisyonu üzerinde önemli etkiler vardır. Bu nedenle motor üreticileri püskürtme basıncını arttırabilmek için yoğun araştırma ve geliştirme çalışmaları yapmaktadırlar. 100 bar mertebelerinden başlayan basınç değerleri günümüzde kullanılan ortak hatlı püskürtme sistemlerinde 2200 bar mertebesine yükselmiştir. Püskürtme basıncı artıkça Diesel motorda yüksek hızlarda çalışılmaktadır. İlkılıç (2008) [49+, yaptığı çalışmada 6 LD 400 model, tek silindirli 4 zamanlı, DP, enjektör açılma basıncı 200 bar, olan bir Diesel motor kullanılmıştır. Araştırmacı, bu dört zamanlı, DP, tek silindirli ve hava soğutmalı bir Diesel motorunun 150–200 ve 250 bar püskürtme basınçlarının egzoz emisyonlarına etkisi araştırmıştır. Emisyon değişimini araştırmak için bir Diesel motorda birçok deney yapılmıştır. Deneyde egzoz 23 emisyon ürünlerini ölçmek için MRU marka ve dijital göstergeli gaz analiz cihazı kullanılmıştır. Sonuçlar yüksek püskürtme basıncının ve yüklerde emisyonları etkilediğini, CO2 ve NOx emisyonlarının az değişimine karşılık CO emisyonunda düşmelerin olduğunu göstermiştir. Daha yüksek püskürtme basıncı ve motor hızında CO, CO2 ve NOx emisyonlarının sürekli düştüğü gözlemlenmiştir. Sekmen vd. [50+, 4 zamanlı, tek silindirli ve DP bir Diesel motorunda püskürtme basıncı ve maksimum yakıt miktarının performans ve duman emisyonlarına etkileri deneysel olarak araştırılmışlardır. Farklı püskürtme basıncı ve maksimum yakıt miktarı için motor hızına bağlı olarak, tork, motor gücü, özgül yakıt tüketimi ve duman emisyonları belirlenmiştir. Püskürtme basıncının artması ile tork ve güçte bir miktar artış, yakıt ekonomisinde iyileşme ve duman emisyonlarında azalma gözlenmiştir. Ancak, püskürtme basıncının belirli bir değerden daha fazla artırılması motor performansını olumsuz etkilemiştir. Maksimum yakıt miktarının artışı tork ve güçte artış sağlarken duman emisyonlarını ve özgül yakıt tüketimini artırmaktadır. Maksimum yakıt miktarının %75 artışı duman koyuluğunu oldukça fazla artırmakta ve tüm motor hızları için sınır değerin üzerine çıktığı gözlenmiştir. Bakar vd. [51+, yakıt püskürtme basıncının motor performans ve yakıt tüketimi üzerine etkilerini belirlemek için 180–200 bar aralığında farklı püskürtme basınçlarında deneysel çalışma yapmışlardır. Deneyler 4 silindirli, 2 stroklu ve DP Diesel motorda gerçekleşmiştir. Deney sonuçlarına göre püskürtme basıncı arttığında motor gücü ve yakıt tüketiminin arttığı gözlemlenmiştir. En iyi motor performansının 220 bar püskürtme basıncında en iyi yakıt ekonomisinin 200 bar püskürtme basıncında elde edildiği ifade edilmiştir. Çanakçı vd. [52], püskürtme basıncının motor performans, emisyon ve yanma karakteristiği üzerine etkilerini belirlemek için tek silindirli, 4 stroklu, doğal emişli 200 bar püskürtme basıncında bir Diesel motorda deneysel çalışma yapmışlardır. Deneylerde %0–%15 aralığında %5 artımlı metanol/Diesel karışımı kullanmışlardır. 180 bar, 200 bar ve 220 bar olmak üzere 3 farklı püskürtme basıncı kullanılmıştır. Deneyler 5, 10, 15 ve 20 Nm yüklerinde ve 2200 d/d sabit hızında gerçekleştirilmiştir. 24 Deney sonuçlarına göre artan metanol oranı ile fren termal verim, ısı çıkış oranı, maksimum silindir basıncı, duman sayısı, CO ve HC emisyonları azalırken fren özgül yakıt tüketimi, yanma verimi, NOx ve CO2 emisyonları artmaktadır. Bununla birlikte püskürtme basıncı 180 bar’a düştüğü zaman pik silindir basıncı, ısı açığa çıkış hızı, yanma verimi, NOx ve CO2 emisyonları azalırken duman sayısı, HC ve CO emisyonları artmıştır. Ancak püskürtme basıncı 220 bar’a yükseldiğinde duman sayısı, HC ve CO emisyonlarında azalma, pik silindir basıncı, ısı açığa çıkış hızı, yanma verimi, NO x ve CO2 emisyonlarında artma gözlemlenmiştir. İçingür ve Altıparmak *53+, püskürtme basıncının ve setan sayısının motor performans ve emisyon üzerine etkilerini belirlemek için 4 silindirli 4 stroklu Diesel motorda deneysel çalışma gerçekleştirmişlerdir. Deney sonuçlarına göre 150 bar püskürtme basıncında yakıtın setan sayısı 46’dan 51’e yükseltildiğinde NOx emisyonlarında %10 azalma gözlemlenmiştir. Ancak bazı motor hızlarında artan setan sayısı ile CO ve duman emisyonları artmıştır. Püskürtme basıncı 100 bar’a düşürüldüğünde duman seviyesi çok yüksek olmuştur. Buradan duman sayısının daha çok püskürtme basıncı ile ilişkili olduğu ifade edilmiştir. Püskürtme basıncı 200 bar’a yükseltildiğinde NO x ve SO2 emisyon değerleri iyileşmiştir. Pireli ve Aktaş *54+, yaptıkları çalışmada farklı karışım oranlarındaki Biodiesel ile farklı püskürtme basınçlarının motor performansı üzerine etkilerini incelemişlerdir. Çalışmada 4 zamanlı, tek silindirli, doğal emişli, DP, 6 LD 400 model Lombardini marka bir Diesel motor kullanılmıştır. Tam yük-değişik hızda, hem standart basınçta (200 bar) farklı yakıt karışımları (Diesel yakıtı, B25, B50, B100 yakıtları) ile hem de farklı püskürtme basınçlarında (215 bar ve 230 bar) saf ticari biodiesel ile çalıştırılmış ve farklı karışımlar ile farklı püskürtme basınçlarının motor performansına etkileri incelenmiştir. Deneylerde standart püskürtme basıncında biodiesel yakıtı ile yaklaşık %21,76 daha düşük güç ve %15,4 daha düşük tork gözlenmiştir. Ticari saf biodieselde püskürtme basıncının artması ile motor momentinin %19 ve motor gücünün ise %24 arttığı, ancak bu artış eğiliminin basınç arttıkça azaldığı gözlenmiştir. Aynı zamanda püskürtme basıncının artması ile özgül yakıt tüketiminin %6,44 azaldığı ifade edilmiştir. 25 BÖLÜM 3 DIESEL MOTORLARDA YAKIT OLARAK BIODIESEL KULLANILMASI VE LİTERATÜR ARAŞTIRMASI 3.1 Biodieselin Genel Özellikleri Biodiesel, bitkisel, hayvansal veya atık yağların katalizör eşliğinde mono hidrik bir alkol ile (metanol, etanol vb. gibi), tepkimeye sokulması sonucu elde edilen yağ asidi zincirinin mono alkil esteri olarak tanımlanmaktadır. “Bio” kelimesi yakıtın yenilenebilir ve biyolojik olduğunu, “Diesel” kelimesi ise Diesel motorlarda kullanılabilirliğini ifade eder. Biodiesel üretiminde alkol olarak metil alkol kullanıyor ise metil ester, etil alkol kullanılıyor ise etil ester kullanılan ana yağ kaynağından sonra yerini almaktadır. Ör; kanola yağı metil esteri (KYME), soya yağı metil esteri (SYME) vb [55,56]. Biodiesel orta uzunlukta C16–C18 yağ asidi zincirlerini içeren metil veya etil ester tipi bir yakıttır. Biodiesel ağırlık olarak %10–12 civarında oksijen içermektedir. Oksijene zincir yapısı biodieseli, petrol kökenli Diesel yakıtından ayırmaktadır [57]. Biodieselin yakıt özellikleri, kullanılan yağın yağ asidi zincir yapısına bağlı olarak değişmektedir. Ana yağ kaynağı yakıtın, setan sayısını, soğuk akış özelliklerini ve oksitlenme kararlılığını belirlemektedir. Örneğin yüksek oranda doymuş bir don yağından üretilen biodieselin donma noktası yüksek olmakta, bu da yakıtın soğuk akış özelliklerini olumsuz olarak etkilemektedir. Bununla birlikte bir Diesel yakıtından istenen yüksek setan sayısı don yağından üretilen biodiesel ile elde edilebilmektedir. Biodiesel bir Diesel motorunda saf halde ve petrol kökenli Diesel yakıtı ile çeşitli 26 oranlarda karışım olarak kullanılabilmektedir. Karışımdaki biodiesel yüzdesi "BXX" olarak ifade edilmektedir. Buradaki "XX" karışımda kullanılan biodiesel oranını göstermektedir. Örneğin B20 oranında bir karışım, %20 biodiesel ile %80 petrol kökenli Diesel yakıtını göstermektedir. B100 ise saf halde biodiesel kullanımını ifade etmektedir [55]. Biodiesel, Diesel motorlarında yakıt olarak kullanıldığı gibi ısıtma amaçlı da kullanılmaktadır. Biodiesel, Diesel yakıtına çok yakın ısıl değere, Diesel yakıtından daha yüksek alevlenme noktasına sahiptir(>110° C). Bu özellik kullanım, taşıma ve depolama açısından Biodieselin daha güvenli bir yakıt olmasını sağlamaktadır. Bitkisel yağların yüksek viskoziteleri (Diesel yakıtının viskozitesinin yaklaşık 10–20 katı) bu yağların Diesel motorlarda doğrudan yakıt olarak kullanımını engellemektedir. Bitkisel yağlar motorlarda doğrudan kullanılması; motorda karbon birikmesi, motor ömrünün kısalması ve yağlama yağlarının kirlenmesi gibi istenmeyen olaylara neden olmaktadır [11, 58, 59, 60, 61]. Bitkisel yağların yakıt olarak kullanılabilmelerini sağlamak amacı ile iki yönde çalışmalar yapılmıştır. Bunlardan ilki, bitkisel yağların yakıt özelliklerinin iyileştirilmesi diğeri ise motoru yakıta uyarlamaktır. Yakıt özelliklerinin iyileştirilmesi için özellikle bitkisel yağların viskozitelerinin azaltılması konusunda çalışmalar yapılmıştır. Bitkisel yağların viskozitelerinin azaltılmasında, ısıl ve kimyasal olmak üzere iki yöntem uygulanmaktadır. Kimyasal yöntemde kendi içinde dörde ayrılmaktadır [62]. İyileştirme yöntemleri Şekil 3.1’de gösterilmiştir. Şekil 3.1 Bitkisel yağların yakıt özelliklerinin iyileştirilmesi [62] 27 Bu prosesler arasında transesterleşme prosesi ise iyi ürün kalitesi ve prosesin daha düşük sıcaklıkta gerçekleştirilmesi olmak üzere iki önemli avantaj sunmaktadır. Bununla birlikte sadece transesterleşme prosesi ile yüksek verimle kısa sürede trigliserollerin metil esterlerini üretmek mümkündür [55,63]. Yağların transesterifikasyonu 1800’lü yıllardan itibaren kullanılmaya başlanmıştır. Transesterleşme, yağların kısa zincirli alkoller ile katalizör varlığında ester ve gliserol oluşturdukları reaksiyondur. Reaksiyon için asit, baz ve enzim katalizörleri kullanılabilmektedir [64]. Trigliserollerin alkol ile transesterifikasyonu Şekil 3.2’de verilmiştir. Trigliserol + Alkol Ester + Gliserol Şekil 3.2 Trigliserollerin alkol ile transesterifikasyonu [62] Alkoliz reaksiyonları denge reaksiyonları olup alkol fazlası genellikle reaksiyonu ürün lehine döndürür. Bu reaksiyon için stokiyometrik oran 3 mol alkole karşılık 1 mol yağ olmasına karşın pratikte ürün verimini arttırmak adına stokiyometrik orandan farklı olarak genellikle daha yüksek alkol mol oranlarında çalışılmaktadır [65,66]. Çizelge 3.1’de Diesel ve biodiesel yakıtlarının önemli fiziksel ve kimyasal özellikleri verilmektedir. 28 Çizelge 3.1 Diesel ve biodiesel yakıtlarının önemli fiziksel ve kimyasal özellikleri [67] Kalori Yoğunluk Viskozite Setan Parlama Kimyasal Değeri (kg/dm3) (mm2/s) Sayısı Noktası Formül (o C) (MJ/kg) 27o C 75o C Diesel yakıtı 43,35 0,815 4,3 1,5 47 58 C16H43 Ayçiçek yağı (AY) 39,53 0,918 58 15 37,1 220 C57H103O6 Ayçiçek yağı 40,56 0,878 10 7,5 45–52 85 C55H105O6 Pamuk yağı (PY) 39,65 0,912 50 16 48,1 210 C55H102O6 Pamuk yağı 40,58 0,874 11 7,2 45–52 70 C54H101O6 Soya yağı (SY) 39,62 0,914 65 9 37,9 230 C56H102O6 Soya yağı 39,76 0,872 11 4,3 37 69 C53H101O6 Mısır yağı 37,83 0,915 46 10,5 37,6 270–295 C55H103O6 Haşhaş yağı 38,92 0,921 56 13 - - C57H103O6 Kolza–00 yağı 37,62 0,914 39,5 10,5 37,6 275–290 C57H105O6 metil esteri (AYME) metil esteri (PYME) metil esteri (SYME) Çizelge 3.1’den görüldüğü gibi Biodieselin ve bitkisel yağların alt ısıl değeri petrol kaynaklı sıvı Diesel yakıtına çok yakın olduğundan bitkisel yağlar biyoyakıt üretimi için sürekli bir potansiyel oluşturmaktadırlar. Diesel yakıtına bakıldığı zaman hacimce %20 ila 40 arasında aromatik bileşik içermektedir. Bu aromatik bileşikler PM ve NOx emisyonlarının artmasına neden olmaktadır. Biodiesel ise genel olarak aromatik olmayan bir yapıya sahiptir. Ayrıca biodiesel, çok düşük ya da az miktarda kükürt içermektedirler. Biodieselin kükürt içeriğinin düşük olması sebebi ile H2SO4 emisyonları da azalmaktadır. Diesel yakıtı ile biodiesel arasındaki kompozisyon açısından en önemli fark biodieselin oksijen içeriğidir. Bu oksijen içeriği yakıtın enerji yoğunluğunu düşürmesine rağmen, PM emisyonlarında azalmaya neden olmaktadır [68]. Bununla birlikte Biodieselin setan sayısı, oksidasyon kararlılığı ve soğuk akış özellikleri gibi bazı fiziksel değerleri yağ asidi profiline bağlıdır. Doymuşluk arttıkça setan sayısı ve oksidasyon kararlılığı artmakta olup, soğuk akış özellikleri kötüleşmektedir. 29 3.2 Diesel ve Biodiesel Yakıt Özelliklerinin Karşılaştırılması İçten yanmalı motorlarda mekanik enerji, yakıtın kimyasal enerjisinin yanma sonucu ısı enerjisi ve sonuçta mekanik enerjiye dönüşümü ile elde edilir. Motorlarda kullanılan yakıtın fiziksel ve kimyasal özellikleri yanma olayını ve açığa çıkan ısıl enerjiyi doğrudan etkiler. Bu nedenle motorlarda, yanma olayını verimli şekilde sağlayacak yakıtlar kullanılmalıdır. İçten yanmalı motorlarda yakıt olarak genellikle sıvı hidrokarbonlar ve yaygın olarak da alkoller ve biodiesel kullanılmaktadır. Yaygın kullanılan Diesel yakıtı 180–370o C arası kaynama noktasına sahip değişik yapıdaki hidrokarbonların karışımından oluşmaktadır [16]. 3.2.1 Özgül Kütle Özgül kütle, yakıtın birim hacminin kütlesidir. Diesel motorlarda uygun hava/yakıt oranının ve iyi bir yanma sağlanabilmesi için pompa-enjektör grubu tarafından sevk edilen yakıtın özgül kütlesi çok önemlidir. Özgül kütledeki değişim ısıl değeri etkilemektedir. Artan yoğunluk ile aynı şartta daha yoğun bir yakıtın silindir içersine girmesi ile yanma karakteri bozulmakta ve is emisyonları artmaktadır [69]. Diesel yakıtı ve biodieselin yoğunluk değerleri (3.1) ve (3.2) eşitlikleri ile verilmektedir. Diesel yakıtı ρd=820–840 kg/m3 [70] (3.1) Biodiesel ρb=860–900 kg/m3 [71] (3.2) 3.2.2 Alevlenme Noktası ve Yanma Noktası Alevlenme noktası, yakıt buharının açık alev ile temas ettiğinde bir an için alev yaydığı sıcaklıktır. Alevlenmenin ilk olarak ortaya çıktığı sıcaklık belirlenir. Bu sıcaklık alevlenme sıcaklığıdır. Eğer alevlenme en az 5 s kadar devam ediyorsa bu sıcaklığa yanma sıcaklığı denir [16]. Diesel yakıtı ve biodieselin alevlenme ve yanma noktası (3.3) ve (3.4) eşitlikleri ile verilmektedir. Diesel yakıtı en az 55o C [70] (3.3) Biodiesel en az 101o C [71] (3.4) 30 3.2.3 Viskozite Viskozite, sıvıların akmaya karşı dirençlerinin ve iç sürtünmelerinin bir ölçüsüdür. Viskozite, içten yanmalı motorlarda ideal yakıt-hava karışımının elde edilmesini ve buna bağlı olarak silindirler içinde iyi bir atomizasyon sağlanmasını ve dolayısıyla verimli yanma elde edilmesini sağlar. Viskozite küçüldükçe enjektörlerden silindirlere gönderilen yakıt daha küçük zerrelere ayrılır ve hava ile homojen bir karışım oluşturarak daha düzgün bir yanmanın sağlanması gerçekleşmektedir [16,72]. Diesel yakıtı ve biodieselin viskozite değerleri (3.5) ve (3.6) eşitlikleri ile verilmektedir. Diesel yakıtı (40o C) νd =2,00–4,50 mm2/s [70] (3.5) Biodiesel (40o C) (3.6) νb = 43,50–5,00 mm2/s [71] 3.2.4 Akma ve Bulutlanma Noktası Akma noktası, numunenin, belirlenmiş standart şartlar altında soğutuluyor iken akıcılığını devam ettirdiği en düşük sıcaklığı ifade, bulutlanma noktası ise deney numunesinin belirlenmiş standart şartlar altında soğutulduğunda parafin kristallerinden oluşan bir sisin gözlendiği ilk sıcaklığı ifade eder. Diesel yakıtının akma noktasının yüksek olması ve yakıtın soğuk havalarda depodan püskürtme sistemine ve enjektöre iletilememesi motorun çalışmasını engeller. Özellikle soğuk bölgelerde çalışan Diesel motorlarında yakıtın akma noktasını düşürmek için içerisine belirli oranlarda gaz yağı ve değişik kimyasal maddeler eklenmektedir[16]. Biodiesel üretiminde özellikle ucuz maliyeti sebebi ile kullanılan hayvansal yağlar ve kızartma yağları, fazla miktarda doymuş yağ asitleri içerdiği için, çok yüksek sıcaklıklarda kristalize olurlar. Bu nedenle, biodiesel kalitesine yönelik yapılan analizlerde; akma ve bulutlanma noktaları tayinleri ve Soğuk Filtre Tıkanma Noktası değerleri Uluslararası Standartlarda yer almaktadır [73]. Diesel yakıtının soğuk fitre tıkanma noktası (3.7) ve biodieselin akma noktası (3.18) eşitliği ile verilmektedir. Diesel yakıtı soğuk filtre tıkanma noktası -15 ile +5 arasında [70]. (3.7) Biodieselin akma noktası ise maksimum 00 C [71] . (3.8) 31 3.2.5 Setan Sayısı Setan sayısı, silindirler içerisine püskürtülen Diesel yakıtının kendi kendine tutuşma kabiliyetini gösteren bir ölçüdür. Diesel motorda yakıt/hava karışımının sıkıştırma sonu basınç ve sıcaklıklarında kendi kendine tutuşabilmesi için Diesel yakıtlarının tutuşma meyillerinin yüksek olması istenir. Tutuşma meylinin düşük, yani TG süresinin büyük olması durumunda TG süresince yanma odasında biriken ve ani yanan yakıt miktarı da artacağından yanma sıcaklıkları artarak NOx emisyonları artar ve mekanik zorlamalara neden olan yüksek basınçlar Diesel vuruntusunu ortaya çıkar [16,72]. Diesel yakıtı ve biodieselin setan sayıları en az 51’dir [70,71]. 3.2.6 Isıl Değer Yakıtın ısıl değeri genellikle birim kütlesinin enerjisi (kJ/kg) olarak ifade edilmektedir. Bununla birlikte yanma sonucu oluşan ürünlerin, yanma öncesi referans bir sıcaklığa göre toplam entalpilerinin yakıt kütlesine bölünmesiyle elde edilen değere de ısıl değeri denir. Motorlardaki yanma sonu sıcaklıklarında su her zaman buhar olarak bulunduğundan, ısıl değer alt ısıl değer olarak verilmelidir [16]. Diesel yakıtı ve biodieselin alt ısıl değerleri (3.9) ve (3.10) eşitlikleri ile verilmektedir. Diesel yakıtı Hud=2000–44000 kJ/kg Biodiesel (3.9) Hub = Dieselden %5 civarında daha düşük (3.10) 3.2.7 Yakıtın Yüzey Gerilimi Yüzey gerilimi, enjektörden püskürtülen yakıt demetinin parçalanmasında etkili olan bir özelliktir. Yakıtın yüzey gerilimi yoğunlukla artar, sıcaklıkla azalır. Yakıtın yüzey gerilimi azaldıkça, parçalanma iyileşmekte ve damlacık küçülmektedir [16]. Diesel yakıtı ve biodieselin yüzey gerilim değerleri (3.11) ve (3.12) eşitlikleri ile verilmektedir. Diesel yakıtı ςd=0,023–0,032 N/m (3.11) Biodiesel ςb = 0,3–0,4 N/m (3.12) 32 3.2.8 Yakıtın Yapısal Bileşimi Sıvı hidrokarbonlar CnHm şeklinde hidrojen ve karbondan oluşmuş, bünyelerinde az miktarda O2, N2, S, H2O ve bazı mineralleri bulunduran ham petrol türevleridir. Hidrokarbonların fiziksel ve kimyasal özellikleri, hidrojen ve karbon atomlarının sayıları ve bağlantı şekilleri ile belirlenmektedir. Diesel yakıtı, parafinik, naftenik, olefinik ve aromatik hidrokarbonlardan oluşmaktadır [16]. Biodiesel ise içeriğinde %10 mertebelerinde oksijen içeren ve yağların alkol ile transesterifikasyonu sonucu oluşan yağ asidi metil esterleridir (CnHmOx). Çizelge 3.2 Diesel yakıtı ve biodiesel özelliklerinin karşılaştırılması [62] Yakıt Özellikleri Birim Sınır Değerler En az-En fazla Kapalı Formül Molekül Ağırlığı Alt Isıl Değer Özgül Ağırlığı 15°C Kinematik Viskozite (40°C) Tutuşma Noktası Kükürt İçeriği Tutuşma Katsayısı Kül Su Miktarı g/mol MJ/kg kg/L mm2/s °C % Kütlesel Setan Sayısı % Kütlesel mg/kg 0,875–0,90 2–4,5 55..-0,05 49..-0,01 ..-200 Biodiesel Diesel Yakıtı C19H35,2O2 C12,226H23,29 S0,0575 120–320 42,7 0,82–0,86 2,5–3,5 >55 <0.05 49–55 <0.01 <200 296 37,1 0,87–0,88 4,3 >100 <0.01 >55 <0.01 <300 3.3 Bitkisel Yağlar ve Biodiesel Kullanımı ile İlgili Literatürde Yapılmış Deneysel Çalışmalar Biodieselin oksijen içeriği yüksek olduğu için yanma odasında gerekli oksijeni sağlayarak, HC, CO ve is emisyonlarında önemli azalmalar sağlamaktadır. Özellikle biodieselde aromatik bileşiklerin (benzen, tolüen vb.) olmaması ve kükürt miktarının çok az olması sebebi ile is ve PM emisyonları azalmaktadır. PM, elementel karbon (≈ %31), kükürt ve nem (≈%14), yanmamış yakıt (≈%7), yanmamış yağlama yağı (≈%40) içerir ve kalan kısım ise metaller ve diğer maddeler olabilir. Literatürde yapılmış deneysel çalışmalar incelendiğinde biodiesel ve karışımlarının kullanımı ile HC, CO ve is emisyonlarında önemli azalmalar olmuş, NOx emisyonlarında 33 ise %5–20 oranında bir artış olmuştur. Ayrıca bazı çalışmalarda biodiesel kullanımı ile NOx emisyonunda bir değişim olmadığı veya Diesel yakıtına göre daha düşük olduğu raporlanmıştır. Bununla birlikte biodiesel yakıtlarının yanması sonucu ortaya çıkan CO yeterli oksijen varlığında CO2’ye dönüşerek Diesel yakıtından yaklaşık %50 daha azdır [74]. Şekil 3.3’te Biodiesel-Diesel yakıt karışım miktarlarına göre emisyon değerleri verilmektedir. Şekil 3.3 Biodiesel-Diesel yakıt karışım miktarlarına göre emisyon değerleri [75] Bitkisel yağlarla ilgili yapılmış olan çalışmalara bakıldığında Diesel motorlarda hiç bir değişiklik yapılmamıştır. Bitkisel yağlarla Diesel yakıtı arasında özgül ağırlık ile alt ısıl değeri arasında fazla fark bulunmamasına rağmen kinematik viskoziteleri oldukça farklıdır. Bitkisel yağların viskoziteleri Diesel yakıtınınkinden yaklaşık 10–20 kat daha fazladır [76,77]. Bitkisel veya atık bitkisel yağlar Diesel motorlarda genelde iki farklı şekilde kullanılabilmektedir. Birincisi, bitkisel veya atık bitkisel yağların saf halde veya çeşitli oranlarda Diesel yakıtı ile karıştırılarak Diesel motorda herhangi bir değişiklik yapılmadan direkt olarak kullanılmasıdır. Atık bitkisel yağların direkt kullanılabilmesi için yağın içerisindeki su ve yabancı maddeler ayrıştırılmaktadır [65]. Birçok araştırmacı yapmış oldukları çalışmalarda bitkisel yağların Diesel motorda uzun süreli olarak kullanılması durumunda enjektörlerde karbon birikimi, yanma odası duvarlarında yapışkan maddelerin oluşmasından dolayı segmanlarda sıkışma, yağlama yağının 34 kalınlaşması gibi problemlerin meydana getirdiğini ifade etmiştir. Bu problemler temel sebebi olarak bitkisel yağın yüksek viskozitesi ve uçuculuğunun düşük olması gösterilmiştir [56, 78, 79]. Yapılmış olan çalışmalar incelendiğinde bitkisel yağın yüksek viskozitesi, düşük uçuculuğu, yüksek kaynama noktası gibi özellikleri Diesel motorların, yakıt püskürtme sistemini olumsuz yönde etkilediği anlaşılmıştır. Özellikle, püskürtme açısının küçülmesi (azalan atomizasyon) ile artan penetrasyon, yanma veriminin düşmesine neden olmaktadır. Bitkisel veya atık bitkisel yağların Diesel motorlarda ikinci kullanım şekli bu yağların esterlerine dönüştürerek kullanılmasıdır. Biodiesel ile yapılan çalışmalarda biodiesel ve Diesel yakıtının performansları birbirlerine yakın çıkarken, biodiesel kullanımında özgül yakıt tüketimi artmıştır. Buna sebep olarak biodieselin ısıl değerinin Diesel yakıtından daha düşük olması gösterilmiştir. Bazı çalışmalarda bunun tam tersi sonuçlar da elde edilmiştir [80,81]. Senatore vd. [82], KYME)ve Diesel yakıtlarının egzoz emisyonları üzerine etkisini incelemişlerdir. Araştırmacılar çalışmalarında 1929 cm3 hacminde ara soğutucu ve EGR sistemine sahip DP Diesel motoru kullanmışlardır. Bu çalışmada stokiyometrik oranın önemi vurgulanmıştır. Biodieselin stokiyometrik oranının 12,6, Diesel yakıtının 14,6 olduğu ifade edilmiştir. Farklı eşdeğerlik (φ) oranlarında B100 ve Diesel yakıtı için deneysel ölçümler yapılmıştır. B100 kullanıldığında CO ve is emisyon değerleri Diesel yakıtına göre azalmış, ancak φ oranı düştükçe yük arttığından CO ve is değeri artmıştır. B100 kullanıldığında özellikle yüksek yüklerde NOx emisyonları da artmıştır. Yarı yüklemede %20’ye kadar artma gözlenmiştir. Biodiesel kullanıldığında Diesel yakıtına göre daha erken püskürtülmeye başlanmıştır. Böylece püskürtme basıncında daha erken yüksek basınçlara ulaşılarak daha erken silindir içi püskürtme olmaktadır. Bunun sebebi olarak biodieselin elastisite modülü ve yoğunluğu olarak ifade edilmiştir. NOx emisyon artışının sebebi olarak Biodieselin oksijen içeriği, daha yüksek silindir içi sıcaklıklara ulaşılması ve maksimum ısı çıkışının Diesel yakıtına göre ÜÖN’ ya göre 3–5o KMA avans ile olduğu şeklinde ifade edilmiştir. Kalam vd. [83], çeşitli oranlardaki (%10–20–30–40–50 ve %100) hindistancevizi yağını Diesel yakıtı ile karıştırarak, karışımların motor performans ve emisyon karakteristikleri 35 üzerine etkisini incelemişlerdir. Deneylerde dört silindirli, ön yanma odalı Isuzu 4FB1 model bir Diesel motoru kullanmışlardır. Emisyon ölçümleri MEXA 9100D cihazı ile yapılmıştır. Deneyler yarı yükte 800–3200 d/d aralıklarında ölçülmüştür. Her karışım için maksimum güç 1600 d/d’da elde edilmiştir. Deneylerin sonucunda, karışımların Diesel yakıtı ile benzer efektif güç ürettiği ancak en yüksek gücün ve ısı çıkışının %30 karışımda elde edildiği gözlenmiştir. Özgül yakıt tüketimlerinin ise daha fazla olduğunu ifade etmişlerdir. Araştırmacılar, enjektör deliklerinde ciddi bir karbon birikimine rastlamamışlardır. Emisyon deneylerinde CO, PM, HC emisyon değerinde yakıtın oksijen içeriğinin yüksek olmasından dolayı yanmanın iyileşerek azaldığı gözlenmiştir. %50 hindistancevizi yağı oranında NOx emisyonlarında %8,42 azalma, CO2 emisyon değerlerinde ise artış gözlenmiştir. Çetinkaya vd. [84] kullanılmış kızartma yağından üretilmiş biodiesel yakıtını 4 silindirli, 4 stroklu Diesel motorunda kullanmışlardır. Yaptıkları çalışmada biodieselin motor performans ve egzoz emisyon değerleri Diesel yakıtı ile karşılaştırmıştır. Deney sonuçlarına göre biodiesel kullanıldığında CO, HC ve partikül emisyonlarında sırasıyla % 8,59, %30,66 ve % 63,33 azalma gözlenirken, CO2 ve NOx emisyonlarında sırasıyla % 2,62 ve % 5,03 artış gözlenmiştir. Ayrıca biodiesel kullanıldığında performans açısından değerlendirildiğinde teker kuvvetinde %3,35 ve teker gücünde %2,03 azalma olduğu ifade edilmiştir. Kızartma yağından üretilmiş biodiesel yakıtı 4 silindirli, 4 stroklu ve DP Diesel motor ile tahrik edilmiş Renault Megane model taşıtta yakıt olarak kullanmılmıştır. Çalışmada bu araç şehir içi ve şehir dışı şartlarında 7500 km yol yapmıştır. Biodiesel kullanımında 2 numara Diesel yakıtına göre motor gücünde ve torkunda %3–5 civarında azalma gözlenmiştir. Ayrıca ilk aşamada biodiesel kullanımında soğuk ortam şartı ve yetersiz yanma sebebiyle enjektörlerde karbonizasyon gözlenmiştir. İkinci aşlamada biodieselin viskozitesi azaldığı için enjektörler daha temiz olmuştur. Ayrıca silindirlerde ve pistonlarda kurumlanma gözlenmemiştir. Di vd. [85], yaptıkları çalışmada atık yemeklik yağlardan üretilen biodiesel için farklı karışım oranlarının düzenlenmiş ve düzenlenmemiş egzoz emisyonları üzerine etkilerini incelemişlerdir. Deney sonuçları çok düşük kükürtlü Diesel yakıtı sonuçları ile 36 karşılaştırılmıştır. Deneyler doğal emişli, su soğutmalı, 4 silindirli DP Diesel motorda gerçekleştirilmiştir. Deneylerde çok düşük kükürtlü Diesel yakıtı, %2, %4, %6 ve %8 oksijen içeren hacimsel olarak %19,6, %39,4, %59,4 ve %79,6 biodiesel içeren 4 farklı karışım kullanılmıştır. Deney sonuçlarında özgül yakıt tüketiminin, termal verimin, NO ve NO2 emisyonlarının arttığı, CO ve HC emisyonlarının ise azaldığı gözlenmiştir. Bununla birlikte yüksek yüklerde duman yoğunluğu ve PM konsantrasyonu azalmıştır. Düzenlenmemiş egzoz emisyonlarına bakıldığında formaldehit, 1–3 bütadien, tolüen ve ksilen azalırken, asetaldehit ve benzen emisyonlarında artış gözlenmiştir. Alpgiray ve Gürhan [86], kanola yağı ve KYME’nin Diesel motor performansına ve emisyon karakteristiklerine etkilerini belirlemek için çalışma yapmışlardır. Çalışmalarında, 5,5 kW gücünde 4 zamanlı DP Diesel motor kullanılmıştır. Çalışmalarında öncelikli olarak kanola yağı Diesel yakıtına hacimsel olarak %20, %40, % 60 ve %80 oranlarında karıştırılarak seyreltilmiş, daha sonra emisyon ve motor deneyleri yapılmıştır. Devamında transesterifikasyon yöntemi ile KYME üretilerek yine emisyon ve motor deneyleri gerçekleştirilmiştir. Kanola yağı kullanımı ile motor torku ve gücünde Diesel yakıtına göre düşüşler gözlenmiş, KYME kullanımı ile tork ve güç değerinin ham kanola yağlarına oranla daha yüksek olduğu ve Diesel yakıtına daha yakın olduğu saptanmıştır. Tam yanmanın gerçekleşememesi nedeniyle karışımların içerdiği yağ oranlarına bağlı olarak, egzoz gazı içerisinde bulunan O2 miktarının bir miktar arttığı ve CO2 emisyonunda düşüş, devir sayısına ve karışım içerisindeki yağ oranının artmasına bağlı olarak CO miktarının doğru orantılı bir şekilde azaldığı gözlenmiştir. Ayrıca, KYME ve karışımlı yakıtların ısıl değerleri düşük olduğu için egzoz gazı sıcaklıkları Diesel yakıtına göre düşük çıkmıştır. NOx emisyonlarında en yüksek değer %80 kanola yağı + %20 Diesel yakıtı kullanımında görülmüştür. Karışımdaki yağ oranı arttıkça NOx emisyonlarında artış gözlenmiştir. Altun ve Öner [87], yaptıkları çalışmada sussam yağını Lombardini marka 6 LD 400 model tek silindirli dört zamanlı, DP ve hava soğutmalı bir Diesel motorunda yakıt olarak kullanılmışlar ve motor performansı ve motor elemanları üzerindeki etkilerini incelemişlerdir. Çalışmalarında yakıt olarak %75 susam yağı ve %25 Diesel yakıtı karışımını kullanılmıştır. Deneylerde %75 susam yağı karışımı yakıt olarak 37 kullanıldığında, motor düzensiz, sarsıntılı ve sesli çalıştığını gözlenmiştir. Bunun sebebi olarak yanma ve yakıt pülverizasyonunu olumsuz etkileyen susam yağının yüksek viskozitesi ve parlama noktası gösterilmiştir. Ancak yakıt püskürtme basıncının arttırılması durumunda motor momentinde artma olduğu, motorun normal çalıştığı ve Diesel yakıtına yakın performans değerleri elde edildiği gözlenmiştir. Saf Diesel yakıtı kullanıldığında elde edilen tork değerlerinin %75 susam yağı karışımı kullanıldığında elde edilen tork değerlerinden yüksek olduğu ifade edilmiştir. Bunun sebebi olarak Diesel yakıtının alt ısıl değerinin susam yağına göre daha yüksek olduğu şeklinde açıklanmıştır. Güç açısından değerlendirildiğinde saf Diesel yakıtı kullanımından elde edilen güç değerlerinin, karışım yakıt kullanımından elde edilen güç değerlerinden yüksek olduğu gözlenmiştir. Yine özgül yakıt tüketimi açısından değerlendirildiğinde %75 susam yağı karışımının özgül yakıt tüketiminin daha yüksek olduğu gözlenmiştir. Yakıt püskürtme basıncı artırılarak tekrar kullanılan %75 susam yağı karışımının Diesel yakıtına yakın güç değerleri vermesine rağmen özgül yakıt tüketimi Diesel yakıtına göre fazla çıktığı gözlenmiştir. Ayrıca motor söküldüğünde, supapların tabla ile sap kısmının birleştiği yerde, özellikle egzoz supabın da çok fazla is ve kurum olduğu gözlenmiştir. Yine piston, yanma odası ve segman yuvalarında da normalden fazla is ve kurum oluştuğu ifade edilmiştir. Kılıçkan vd. [88], yaptıkları çalışmada pamuk yağının küçük güçlü bir Diesel motorda performans ve emisyonlara etkilerini belirlemişlerdir. Çalışmalarında DP, 5,5 kW gücünde 4 zamanlı bir LDA 450 model Diesel motoru kullanmışlardır. Yakıt olarak %10, %20, %30, %40 ve %50 oranlarda pamuk karışımları ve transesterifikasyon yöntemi ile edilen pamuk yağı etil esteri (PYEE) ve pamuk yağı metil esterleri (PYME) kullanılmıştır. Deneylerde motor hızına bağlı olarak, tork, yakıt tüketimleri ve emisyon değerleri ölçülmüştür. Deney sonuçlarına göre en yüksek tork değerlerine Diesel yakıtı kullanıldığında elde edilmiştir. Diesel yakıtına her %10’luk pamuk yağı’na karşılık %5’lik bir tork düşüşü olduğu gözlenmiştir. PYEE ile PYME arasında herhangi bir değişim görülmezken, bu ester yakıtların Diesel yakıtından ise yaklaşık %9 daha az bir torka sahip olduğu gözlenmiştir. Diesel yakıtına her %10’luk pamuk yağı’na karşılık güçte az bir azalma olmakla beraber, bu düşüş %7–9 mertebelerinde olmuştur. Yakıt tüketimi 38 açısından ele alındığında Diesel yakıtı en düşük özgül yakıt tüketimine sahip olmuştur. Her %10’luk yağ oranı artışına karşılık özgül yakıt tüketimlerinde yaklaşık %3 ile %10 oranında bir artış meydana geldiği ifade edilmiştir. Emisyonlar karşılaştırıldığında karışım içerisindeki yağ oranının artmasıyla CO miktarı da doğru orantılı bir şekilde azalmıştır. Pamuk yağı alkil esterlerinde ise benzer bir durum söz konusu olup, Diesel yakıtına benzer özellikler göstermişlerdir. Karışımlı yakıtların ve alkil ester yakıtların CO2 değerleri ise Diesel yakıtından daha düşük çıktığı gözlenmiştir. Pamuk yağı ile yapılan deneylerde duman koyuluğunun Diesel yakıtına göre daha yüksek olduğu, fakat PYME kullanımı ile duman yoğunluğu ham bitkisel yağlara oranla daha düşük olduğu belirlenmiştir. Ayrıca NOx emisyonlarının pamuk yağı kullanıldığında önemli ölçüde azaldığı, PYME kullanıldığında ise ham pamuk yağlarına oranla NOx emisyonlarında kısmen artış olduğu gözlenmiştir. Keskin vd. [89], yaptıkları çalışmada tek silindirli DP bir Diesel motorunda don yağından üretilen biodieselin Diesel yakıtı ile %90 oranındaki karışımının motor performans ve emisyonlarına etkisini incelemişlerdir. Deney sonuçlarına göre B90 kullanımı ile tork ve güç değerlerinde sırasıyla %2,99 ve %2,94’e civarında azalma, özgül yakıt tüketimi değerlerinde ortalama %7,63 oranında artış gözlenmiştir. Emisyonlar incelendiğinde B90 kullanımı ile CO emisyonu değerlerinde %35,44, duman emisyonlarında ise %13,27 civarında azalmalar gözlenmiştir. Bununla birlikte NOx emisyonlarında ise %13,29 civarında artışlar gözlenmiştir. Sekmen [90], tarafından yapılan çalışmada keten tohumu ve karpuz çekirdeklerinden üretilen biodiesel Diesel yakıtı ile hacimsel olarak %2 oranında karıştırılarak DP bir Diesel motorunda performans ve egzoz emisyonlarına etkileri deneysel olarak incelenmiştir. Biodiesel karışımlarının kullanımı ile Diesel yakıtına göre motor torku ve gücünde %2–5 arasında azalma gözlenmiştir. Diesel yakıtına karpuz çekirdeği ve keten tohumu yağı metil esteri ilave edilmesi ile özgül yakıt tüketiminde sırasıyla ortalama %7 ve %3 oranında artış gözlenmiştir. Emisyonlar değerlendirildiğinde ise Biodiesel karışımları ile CO, HC ve duman emisyonlarında azalma, NOx emisyonlarında ise artma gözlenmiştir. 39 Altıparmak vd. [91], yaptıkları çalışmada fındık yağı metil esterinin (FYME) tek silindirli DP Diesel motorunda performans ve emisyonunu incelemişlerdir. Deneyler 1800–3200 d/d arasında tam yükte gerçekleştirilmiştir. Deney sonuçlarına bakıldığında, FYME ile elde edilen motor performans değerlerinin Diesel yakıtı değerlerine yakın olduğu gözlenmiştir. Güç ve tork değerleri incelendiğinde ortalama sırasıyla %3,22 ve % %3,1 azalmış, özgül yakıt tüketimi ise %9,24 artmıştır. Bunun sebebi olarak fındık yağı metil esterinin ısıl değerinin düşük olmasından ve yoğunluğun yüksek olması ifade edilmiştir. CO emisyonlarında ve ışık absorbsiyon katsayısında sırasıyla %48,74 ve % 66,7’ye kadar düşme gözlenmiştir. Eliçin ve Erdoğan [92], yaptıkları çalışmada fındık yağının küçük güçlü bir Diesel motorda performans ve emisyonlara etkilerini incelemişlerdir. Çalışmalarında DP, 5,5 kW gücünde 4 zamanlı bir LDA 450 model Diesel motoru kullanmışlardır. Yakıt olarak %10, %20, %30, %40 ve %50 oranlarda fındık yağı karışımları ve transesterifikasyon yöntemi ile edilen fındık yağı etil esteri (FYEE) ve FYME kullanılmıştır. Deneylerde motor hızına bağlı olarak, tork, yakıt tüketimleri ve emisyon değerleri ölçülmüştür. Deney sonuçlarına göre en yüksek tork değerlerine Diesel yakıtı kullanıldığında elde edilmiştir. Diesel yakıtına her %10’luk fındık yağı’na karşılık %5’lik bir tork düşüşü olduğu gözlenmiştir. FYEE ile FYME arasında herhangi bir değişim görülmezken, bu ester yakıtların Diesel yakıtından ise yaklaşık %5 daha az bir torka sahip olduğu gözlenmiştir. Diesel yakıtına her %10’luk fındık yağı’na karşılık güçte az bir azalma olmakla beraber, bu düşüş %3 mertebelerinde olmuştur. FYEE ile FYME arasında herhangi bir değişim görülmemekte ve fındık yağı alkil esterleri, Diesel yakıtından yaklaşık olarak %6 daha düşük güç elde edilmesine neden olduğu ifade edilmiştir. Yakıt tüketimi açısından ele alındığında Diesel yakıtı en düşük özgül yakıt tüketimine sahip olmuştur. Her %10’luk yağ oranı artışına karşılık özgül yakıt tüketimlerinde yaklaşık %5 oranında bir artış meydana geldiği ifade edilmiştir. Buna karşılık FYEE’nin, Diesel yakıtından %11, FYME’nin ise Diesel yakıtından %6 daha fazla saatlik yakıt tüketimine sahip olduğu gözlenmiştir. Emisyonlar karşılaştırıldığında karışım içerisindeki yağ oranının artmasıyla CO miktarı da doğru orantılı bir şekilde azalmıştır. Fındık yağı alkil esterlerinde ise benzer bir 40 durum söz konusu olup, Diesel yakıtına benzer özellikler göstermişlerdir. Karışımlı yakıtların ve alkil ester yakıtların CO2 değerleri ise Diesel yakıtından daha düşük çıktığı gözlenmiştir. Fındık yağı ile yapılan deneylerde duman koyuluğunun Diesel yakıtına göre daha yüksek olduğu, fakat FYME’nin kullanımı ile duman yoğunluğu ham bitkisel yağlara oranla daha düşük olduğu belirlenmiştir. Ayrıca NOx emisyonlarının fındık yağı kullanıldığında önemli ölçüde azaldığı, FYME kullanıldığında ise ham fındık yağlarına oranla NOx emisyonlarında kısmen artış olduğu gözlenmiştir. Alfuso vd. [93], DP 4 silindirli motorda yaptıkları çalışmada KYME’nin motor performans ve emisyon üzerindeki etkilerini belirlemek için 3 farklı deney gerçekleştirmişlerdir. Deney sonuçları Diesel yakıtı ile karşılaştırılmıştır. Deneylerden ilki 2 yakıt için aynı dinamik püskürtme zamanında (12o ÜÖN) Avrupa 13 Nokta Testi, diğeri NOx ve PM emisyonlarını belirlemek amacıyla iki yakıt için 2200 d/d ve tam yük testi, üçüncüsü ise EGR (%4 ve %9 EGR) testidir. Deneylerde göre aynı püskürtme zamanında KYME kullanıldığı zaman NOx emisyonlarında artma, HC, CO ve duman emisyonlarında azalma gözlenmiştir. Geçiş çevrimlerinde ise PM emisyonlarında püskürtme zamanına bağlı olarak artma gözlenmiştir. Senatore vd. [82], yaptıkları çalışmada kanola yağından üretilen biodieselin motor emisyon ve performansı üzerine etkilerini incelemişlerdir. Deney motoru olarak 1929 cm3 DP ara soğutucu ve EGR sistemine sahip turboşarjlı Diesel motor kullanılmıştır. Deneylerde biodiesel kullanıldığında Diesel yakıtı ile aynı φ oranında motor performansında (tork ve güç) %20–25 civarında azalma gözlenmiştir. Ancak bağıl φ oranına göre karşılaştırıldığında ciddi bir değişim gözlenmemiştir. Özgül yakıt tüketiminde de aynı durum geçerli olmuştur. Biodiesel kullanımında CO emisyonlarında ve duman emisyonlarında azalma ancak yük arttıkça CO emisyonlarında ve duman olarak ölçülen C partiküllerinde artış gözlenmiştir. Kısmi yük durumlarında NO x emisyonlarında %20’ye kadar bir artış gözlenmiştir. Biodiesel kullanımında ısı açığa çıkışı Diesel yakıtına göre 3-5o KMA daha erken olmuştur. Bu nedenle silindir içi sıcaklıklar artarak NOx emisyonlarında artış gözlendiği ifade edilmiştir. Senatore vd. [94] B100, B25 ve Diesel yakıtlarının performans ve egzoz emisyonları üzerine etkisini incelemişlerdir. Çalışmada kullanılan biodiesel kanola yağından 41 üretilmiştir. Deneylerde kullanılan motor 1910 cm3 hacminde EURO IV Ortak hatlı Diesel motorudur. Araştırmacılar bu çalışmada motor performansını ve emisyon değerlerini optimize etmeye çalışmışlardır. Bu amaçla elektronik kontrol ünitesi kullanılmıştır. B100 kullanıldığında biodieselin alt ısıl değeri Diesel yakıtından daha düşük olduğundan motor performansı azalmıştır. Motorun performansını iyileştirmek için çevrim başına püskürtülen yakıt miktarı arttırılmış ve püskürtme zamanı değiştirilmiştir. Böylece Diesel yakıtı ile yakın güç ve tork değerleri elde edilmiştir. Ancak bu durumda yakıt tüketiminin arttığı gözlemlenmiştir. Egzoz emisyon değerleri farklı yükleme ve hızlarda optimize edilmiştir. B100 kullanıldığında 1500 d/d’da CO emisyonları azalırken NOx emisyonların arttığı gözlenmiştir. Elektronik kontrol ünitesi optimize edilip EGR miktarı arttırıldığında NOx azalmakta, püskürtme avansı geciktirildiğinde ise CO emisyonları artmaktadır. Püskürtme avansı geciktirildiğince CO emisyon değeri artış gösterse de yine de Diesel yakıtı seviyelerine göre daha az olmuştur. Böylece emisyon seviyeleri Diesel yakıtına yakın olmuştur. Motor hızı 3000 d/d olduğunda ise B100 kullanıldığında CO ve NOx emisyon değerleri Diesel yakıtına göre daha düşük olmuştur. Bu durumda elektronik kontrol ünitesi optimizasyonuna gerek kalmamıştır. Ancak daha düşük NOx seviyeleri için optimizasyon yapılmıştır. 1500 d/d’da B25 kullanıldığında ise NOx seviyeleri Diesel yakıtına göre daha yüksek CO seviyeleri daha düşük çıkmıştır. 2000 d/d’da elektronik kontrol ünitesi optimizasyonu olup EGR uygulandığında NOx emisyonları azalmıştır. Araştırmacılar bu çalışmada EGR ve püskürtme avansı ile CO ve NOx seviyelerini optimize etmişlerdir. Kawano vd. [95], %100 , %5, %20 ve % 80 oranlarında KYME ile 2 numaralı Diesel yakıtı karışımlarının egzoz emisyonları üzerine etkisini incelemişlerdir. Araştırmacılar, çalışmalarında 4 silindirli, silindir hacmi 4 lt olan ara soğutuculu turbo motor kullanmışlardır. Motorda Diesel partikül-NOx azaltım sistemi bulunmaktadır. Emisyon değerleri Horiba MEXA-7100EGR cihazı ile ölçülmüştür. Araştırmacılar yaptıkları deneyler sonucunda biodieselin yüzdesindeki artışla eş orantılı olarak NOx emisyonun da arttığını raporlamışlardır. B5 ve B20 oranlarında PM emisyonları azalma gösterirken B80 ve B100 emisyonlarında Diesel yakıtına göre artma olmuştur. Ancak motor çıkındaki CO ve HC emisyonlarında azalma olduğu gözlenmiştir. B5 kullanıldığında 42 motor çıkış CO değerlerinin %50 azaldığı ifade edilmiştir. Bununla birlikte biodieselin içindeki oksijen içeriği sebebiyle düşük biodiesel oranlarında (B5) bile is emisyonlarında %15 azalma gözlenmiştir. Veltman vd. [96], B100, B20 ve 2 numaralı Diesel yakıtlarının egzoz emisyonları üzerine etkisini incelemişlerdir. Çalışmalarında John Deere 4045 HF475 4-silindirli DP motor ve farklı karışım oranlarında SYME kullanarak EGR, püskürtme basıncı ve karışım oranlarının etkileri incelenmiştir. Emisyon ölçümleri HORIBA MEXA 7100 DEGR cihazı ile yapılmıştır. Duman sayısı ise AVL 415S cihazı ile ölçülmüştür. Silindir basıncı ise 6125 B piezoelektrik basınç sensörü ile ölçülmüştür. Maksimum %33 oranında EGR uygulanmıştır. %0 EGR ve 150 MPa şartlarında B20 ve B100 için NOx emisyonlarında sırayla %21 ve %43 artış, PM emisyonlarında ise sırayla %7 ve %63 azalma gözlenmiştir. Püskürtme basıncı 180 MPa olduğunda ise B20 için NOx değeri %20, B100 için %45 arttığı ifade edilmiştir. PM emisyonlarında ise sırayla %13 ve %59 azalma olmuştur. B20 için CO emisyonlarında ciddi bir değişim olmamıştır. Ancak B100 için CO emisyonlarında artma gözlenmiştir. Bu artış püskürtme zamanı geciktirildiğinde artmıştır. 180 MPa püskürtme şartında B20 ve 2 numaralı Diesel yakıtının HC emisyon değerleri aynı çıkmıştır. Ancak B100 kullanıldığında ve püskürtme avansı ÜÖN’dan 5o KMA önce olduğunda HC emisyonları artmıştır. Bunun sebebi olarak yanmanın tamamlanmaması olduğu ifade edilmiştir. Her iki püskürtme basıncında B20 yakıtı için yakıt tüketiminde %4,5 ve B100 için %21 arttığı gözlenmiştir. %30 EGR uygulandığında her 3 çeşit yakıt için her iki püskürtme basıncı şartında yanma sıcaklıkları azaldığı için NOx emisyonlarının azaldığı ve daha az oksijen içeriği olduğundan PM emisyonlarının arttığı gözlenmiştir. 150 MPa püskürme basıncında PM emisyonları B20 ve B100 için sırayla %35 ve %82 azalmıştır. 180 MPa püskürtme basıncında ise yine sırayla %7 ve %81 azalmıştır. Bu çalışma ile EGR uygulamalarında NOx emisyonlarının azaldığı ve PM emisyonlarının arttığı gözlenmiştir. Yunshan vd. [97], B100, B50, B20, Diesel ve düşük kükürtlü Diesel yakıtları için 3 farklı turboşarjlı ve ara soğutucu sistemine sahip DP motorda deney yapmışlardır. 2 motoru 43 emisyon ve performans, 3. motoru ise yanma karakteristiğini belirlemek için kullanmışlardır. B50 ile çalışan 2. motor tam yükte 1000–2400 d/d aralığında çalıştığında tork değerinde LD’ye göre %2,6’ya kadar azalma, yakıt tüketiminde ise %3,6–8,3’e kadar artma gözlenmiştir. Yakıt tüketimindeki bu değişiklerin yakıtın yoğunluğu ve ısıl değerindeki farklılıktan kaynaklandığı ifade edilmiştir. B20 ile çalışan 1. motorda yakıt tüketiminde Diesel yakıtına göre %3 den az bir artış gözlenmiştir. B50 kullanıldığında tam yükte HC emisyonlarında düşük kükürtlü Diesel yakıtına göre % 25– 33 arasında azalma, özellikle düşük yüklerde HC emisyon azalması daha ciddi şekilde gözlenmiştir. NOx emisyonlarında ise 1800 d/d da %3–10 arasında artış gözlemlenmiştir. 1800 d/d da ise %44’e kadar artış olmuştur. CO emisyonlarında ise çok az değişim olmuştur. Düşük motor hızlarında ve yüksek yüklerde is emisyonları % 36–65 arasında azalmıştır. B20 kullanıldığında is emisyonları %13 oranında azalmıştır. Araştırmacılar bu çalışmada silindir içi yanma analizi de yapmışlardır. B100 kullanıldığında silindir içi maksimum basıncın düşük hızlarda ve yüksek yüklerde %2,7 arttığı gözlenmiştir. Bu da biodiesel kullanıldığında yanmanın iyileştiğini göstermektedir. Bu çalışmada biodieselin yoğunluğunun yüksek olmasından dolayı püskürtme basıncının daha hızlı istenilen değere geldiği ve püskürtme avansının arttığı vurgulanmıştır. Yine biodieselin setan sayısının daha yüksek olmasından dolayı B20 ve B100 kullanıldığında TG’de 1300 d/d’da düşük yüksekten yüksek yüke doğru sırayla %5–29,4 ve %10–42,9 arasında azalma gözlenmiştir. Ayrıca B20 kullanıldığında ön karışımlı yanma miktarında %15,2–54,8 ve B100 kullanıldığında % 31,6–87,1 oranında azalma gözlenmiştir. Usta [98], turboşarjlı EDP Diesel motorda tütün yağı metil esteri (TYME) ile yaptığı çalışmasında motorun performans ve egzoz emisyonlarını araştırmıştır. Deneylerde 2 numaralı Diesel yakıtı ve %10, %15 ve % 25 hacim oranlarında üç farklı TYME karışımı test edilmiştir. D100 ve D82,5/TYME17,5 yakıtları %50 ve %75 kısmi yüklerinde de test edilmiştir. Farklı TYME-Diesel yakıt karışımları için motor torkunda ve gücünde ciddi bir farklılık gözlenmemiştir. Çoğu çalışma şartında TYME kullanıldığı zaman motor torkunda ve gücünde küçük artışlar gözlenmiş olup bu durum normal Diesel yakıta göre daha yüksek yoğunluklu ve viskoziteli olan TYME’nin daha iyi yanmış olmasıyla 44 açıklanmıştır. Deney sonuçları incelendiğinde Diesel yakıtına TYME eklendiği zaman CO ve SO2 emisyonlarında bir azalma görülürken, NOx emisyonlarında bir miktar artış gözlenmiştir. Diesel yakıta TYME eklenmesi ile motor performansında ciddi bir değişiklik olmamıştır. Agarwal vd. [99], Diesel motorunda Diesel yakıtı, B10 yakıtı, B20 ve B50 yakıtları kullanımında NOx emisyonlarının kontrolü ile ilgili deneysel bir çalışma yapmışlardır. Bu çalışmada Diesel motorda biodiesel ile EGR eşzamanlı kullanımı ile emisyonların düşürülmesi amaçlanmıştır. Çalışmada iki silindirli, hava soğutmalı sabit hız DP Diesel motor kullanılmıştır. Emisyonların tahmini için, egzoz gazında HC, NOx, CO ve pusluluk ölçümleri yapılmıştır. Egzoz gazı ölçümleri EXSA–1500 Horiba cihazı ile yapılmıştır. Egzoz gazı opasitesi AVL 437 cihazı ile yapılmıştır. Elde edile verilerle, termal etkinlik, fren özgül yakıt tüketimi, fren özgül enerji tüketimi gibi çeşitli motor performans parametreleri hesaplanmıştır. 1500 d/d'da değişik yüklerde %10-%15 ve %20 oranlarında EGR uygulanmıştır. Araştırmacıların bu çalışmalarına göre biodiesel karışımı ile birlikte EGR uygulanması NOx emisyonlarında düşüş sağlarken CO, HC ve PM emisyonlarında artış sağlamıştır. Bunun sebebi EGR ile silindir içi oksijen konsantrasyonun düşerek yanma sıcaklarının düşmesi (dolayısı ise NOx emisyonlarının düşmesi) ve yanmanın kötüleşmesi (CO, HC ve PM emisyonlarının artması) şeklinde ifade edilmiştir. Çalışma sonucunda B20 ile %15 uygulandığında en uygun performans ve emisyon değerlerinin elde edildiği ifade edilmiştir. Huzayyin vd. [100] tarafından yapılan çalışmada jojoba yağı ve Diesel yakıtı karışımlarının tek silindirli, doğal emişli, DP motorunda performans ve emisyon üzerine etkileri belirlenmiştir. Çalışmalarında Jojoba yağının fiziksel ve kimyasal özelliklerinin alternatif Diesel motor yakıtı olarak iyi bir potansiyele sahip olduğu ifade edilmiştir. Jojoba yağının yüksek viskozitesini azaltmak için Diesel yakıtı karışım sağlanmıştır. Diesel yakıtı ve Diesel-Jojoba yağı karışımı kullanılarak Diesel motorun farklı performans parametreleri ölçülmüştür. Diesel yakıtı-Jojoba yağı karışımı kullanıldığı zaman ihmal edilebilir düzeyde bir güç kaybı ve fren özgül yakıt tüketiminde küçük bir artış gözlenmiştir. NOx ve kurum emisyonlarında bir azalma olduğu gözlenmiştir. 45 Karışımdaki Jojoba yağı oranının artması ile kurum emisyonundaki azalmanın arttığı gözlenmiştir. Reyes vd. [101], yaptıkları çalışmada som balığı yağından üretilen rafine biodiesel ile ham biodieselin Diesel motorda kullanılması durumunda PM–10 emisyonları üzerine etkilerini incelemişlerdir. Som balığı yağından elde ettikleri biodieseli hem distile ederek hem de ham biodiesel olarak karışım ve saf şekilde kullanmışlardır. Yaptıkları çalışmada ham biodieselde %40 kadar karışımların motora fazla zarar vermediğini ancak karışım oranının artması ile motor kararlılığının bir kısmını yitirdiğini fakat güç, sıcaklık ve ivmelenme olarak kabul edilebilir performans gösterdiğini gözlemlemişler. Rafine biodieselde ise %100 karışımın çalışma yumuşaklığı ve hız sağlamada çok iyi olduğu gözlemlenmiştir. Rafine biodiesel kullanılması durumunda yaklaşık %3,5 güç kaybı olmasına rağmen PM–10 emisyonunda %50 azalma gözlenmiştir. Yine biodiesel karışımlarında PM–10 emisyonlarında azalma gözlenmiştir. Baranescu ve Lusco [102], yaptıkları çalışmada, % 25, 50, 75 oranlarında ayçiçek yağıDiesel yakıt karışımlarının fiziksel ve kimyasal özelliklerini belirlemişler, yakıt karışımlarının enjektörlerde püskürtülmesini incelemişlerlerdir. Ayrıca %50 ayçiçek yağı ile % 50 Diesel yakıtı karıştırarak 200 saatlik deneme sonunda motorun çeşitli parçalarında meydana gelen değişmeleri incelemişler, kısa süreli deneylerde motor parçalarında herhangi bir kurum birikmesinin meydana gelmediğini belirtmişlerdir. Wagner ve Peterson [103], kanola yağı karışımını Diesel yakıtı olarak kullanımını araştırmış ve kısa süreli motor deneylerinde çeşitli motor hasarlarının oluştuğunu tespit etmişlerdir. %70 kanola yağı ve Diesel yakıtı karışımının kullanıldığı 850 saat gibi uzun süreli testlerde ise motorda önemli bir aşıntı, yağlama yağında kirlenme veya güç kaybı meydana gelmemiştir. Ziejeswski ve Kaufman [104], yaptıkları çalışmada, %25/75 oranında ayçiçek yağı ile Diesel yakıtını karıştırarak Diesel motorlarında etkilerini incelemişlerdir. Yaptıkları çalışma sonucunda enjektör deliklerinde tıkanma, egzoz manifoldunda karbon birikmesi gibi problemlerin ortaya çıktığını ifade etmişlerdir. 46 Schmidt ve Gerpen [105], tarafından yapılan çalışmada DP turboşarjlı 1984 John Deere 4276T model motorda yapılan deneylerde emisyon değerleri ölçülmüştür. CO ve CO2 emisyonları Beckman model 864 infrared analizörler ile NO/NOx emisyonları Beckman model 955 kemilüminesans NO/NOx analizörü ile ve termo elektron model 10A kemilüminesans NO/NOx analizörü ile ölçülmüştür. HC emisyonları Beckman model 402 ısıtılmış alev iyonizasyon hidrokarbon analizörü ile oksijen konsantrasyonu ise Beckman model 7003 oksijen monitörü ile ölçülmüştür. Biodiesel/Diesel yakıtı karışımlarında NOx değişimleri oldukça küçük olduğu ifade edilmiştir. NOX emisyonlarında metil palmitat ve izopropil sterat hariç tüm %50 karışım esterlerinde % 0–5 arasında fark görülmüştür. 50% metil palmitat ve izopropil sterat karışımları 2 numara Diesel yakıtı ile karşılaştırıldığında NOx emisyonlarında %2–3 azalma gözlenmiştir. HC emisyonları ise tüm ester kullanımında Diesel yakıtına göre daha düşük ölçülmüştür. Tüm esterlerde yakıt tüketiminde artma, ancak termal verimli bir değişiklik görülmemiştir. Öztürk ve Bilen [106], yaptıkları çalışmada KYME’nin motor emisyon ve performansı üzerine etkilerini incelemişlerdir. Yaptıkları çalışmada 4 silindirli, DP ve aşırı doldurmalı, Steyr marka, dört zamanlı bir Diesel motoru kullanılmıştır. Egzoz emisyon değerlerinin belirlenmesinde Gaco-Sn marka egzoz emisyon cihazı kullanılmıştır. Duman koyuluğu ile ışık absorbsiyon katsayısı değerlerinin tespitinde ise %1 hassasiyetle ölçüm yapabilen VLT 2600S marka gaz analiz cihazı kullanılmıştır. Deneylerde saf KYME, %50 KYME+%50 Diesel yakıtı karışımı ve saf Diesel yakıtı kullanılmıştır. Yapılan değişik yük ve devir sayısı deneylerinde, yakıt tüketimi ile CO, CO2, NOx, ışık absorbsiyon katsayısı ve duman koyuluğu emisyon değerleri ölçülmüştür. Ölçüm yapılan bütün devir sayılarında biodieselin ve karışımın saatlik yakıt tüketiminin Diesel yakıtından yüksek olduğu gözlenmiştir. Biodieselin saatlik yakıt tüketim değerlerinin, Diesel yakıtına göre ortalama %12 karışım yakıtı saatlik yakıt tüketim değerlerinin ise, Diesel yakıtına göre ortalama %8 oranında yüksek olduğu gözlenmiştir. Yine ölçüm yapılan bütün devir sayılarında karışım yakıtı ve KYME kullanıldığında elde edilen NOx emisyon değerlerinin, Diesel yakıtı değerlerine çok yakın olduğu görülmüştür. Biodiesel NOx emisyon değerlerinin, Diesel yakıtına göre ortalama %1,7; karışım yakıtı NOx emisyon değerlerinin ise ortalama %1,2 oranında yüksek olduğu, 47 CO2 emisyon değerlerinin, Diesel yakıtı değerlerinden düşük olduğu biodiesel CO2 emisyon değerlerinin, Diesel yakıtına göre ortalama %4,2; karışım yakıtı CO2 emisyon değerlerinin ise, Diesel yakıtı değerlerine göre ortalama %2,8 oranında düşük olduğu, biodiesel ışık absorbsiyon değerleri, karışım yakıtı değerlerine göre düşük olduğu en yüksek K değerleri ise Diesel yakıtı ile yapılan deneylerde gözlenmiştir. Ayrıca tüm deneylerde, KYME’nin duman koyuluğu değerlerinin, Diesel yakıtı duman koyuluğu değerlerine göre ortalama %50,2, karışım yakıtı duman koyuluğu değerlerinin ise, Diesel yakıtına göre ortalama %20,1 oranında düşük olduğu gözlenmiştir. Ergen ve Karabektaş [107], tarafından yapılan çalışmada rafine pamuk yağından transesterifikasyon yöntemi ile üretilen biodieselin, motor performansı ve egzoz emisyonları Diesel yakıtıyla karşılaştırılmıştır. Biodiesel kullanımı ile Diesel yakıtına göre efektif güç ve motor torkunda ortalama %3,07 oranında azalma, özgül yakıt tüketiminde ise ortalama %8 oranında artış gözlenmiştir. CO ve duman emisyonlarında azalma, NOX emisyonlarında ortalama %29,51 ve CO2 emisyonlarında %7,61 oranında artış olduğu gözlenmiştir. Sugözü vd. [108], yaptıkları çalışmada %100 ayçiçek yağı metil ester (AYME) ve %50 AYME–%50 Diesel yakıtı karışımları tek silindirli, dört zamanlı ve ön yanma odalı Pancar E89 model bir Diesel motorda farklı motor hızlarında test edilmiştir. Deneyler tam yük şartlarında 1400–2200 d/d aralığında 200 d/d aralıklarla gerçekleştirilmiştir. CO ve NOx ölçümü Testo 350 XL baca gazı analiz cihazı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. B100 ve B50 yakıtlarının kullanılması durumunda motor torku 1800 d/d motor devrine kadar artış göstermiş ve bu devirden sonra azalma gözlenmiştir. B100 ve B50 yakıtlarının kullanımıyla motor torkunda Diesel yakıtına göre ortalama olarak sırası ile %9,2 ve %4,4’luk azalma gözlenmiştir. Motor gücü ise B100 ve B50 yakıtları için 2000 d/d motor devrine kadar artmış bu devirden sonra belirgin bir şekilde azalma gözlenmiştir. B100 ve B50 yakıtları kullanımıyla motor gücünde Diesel yakıtına göre ortalama olarak %10 ve %5’lik azalma gözlenmiştir. Motor torku ve gücündeki azalmanın ayçiçek yağı metil esterin ısıl değerinin düşük olmasından kaynaklandığı ifade edilmiştir. B100 ve B50 yakıtlarının özgül yakıt tüketimleri ise, düşük motor hızlarında yüksek değerde iken motor hızının artışı ile 2000 d/d’ya kadar azalmış ve bu devirden sonra artma 48 gözlenmiştir. 2000 d/d motor devrinde özgül yakıt tüketimleri karşılaştırıldığında B100 ve B50 yakıtlarının özgül yakıt tüketimin Diesel yakıtına göre sırasıyla %34 ve %25,8 daha fazla olduğu gözlenmiştir. CO emisyonlarında B50 yakıtı kullanımı ile ortalama olarak %16,3’luk, B100 yakıtı kullanımı ile %25,6’lık bir azalma, NOx emisyonlarında ise B100 ve B50 yakıtının kullanımı ile ortalama olarak Diesel yakıtına göre sırası ile %9,5 ve %12,6’lık bir artış gözlenmiştir. NOx emisyonlarındaki bu artış AYME’nin içerdiği oksijenden kaynaklandığı ifade edilmektedir. Yapılmış deneyler sonucunda, AYME’nin Diesel motorlarda alternatif yakıt olarak kullanılabileceği ifade edilmiştir. Al-Widyan vd. [109], tarafından yapılan çalışmada, atık palmiye yağları transesterifikasyon yöntemiyle etil alkol esterine dönüştürülmüş ve Diesel yakıtı ile %25, %50 ve %75 oranlarda karışım yaparak tek silindirli bir Diesel motorunda test edilmiştir. 1000, 1200, 1450 ve 1800 d/d’da deneyler gerçekleştirilmiştir. Püskürtme avansı 20o KMA olup deneyler boyunca değiştirilmemiştir. Elde edilen karışımların saf Diesel yakıtına göre daha iyi bir yakıt ekonomisine ve daha düşük CO, HC emisyon değerlerine sahip olduğu gözlenmiştir. B100 ve B75 yakıtları ile en iyi performans değerleri elde edilmiştir. Egzoz emisyonları göz önüne alınmadığında ise en iyi performans değerine B50 ile ulaşılmıştır. Bu sonuçlar ışığında bitkisel yağların alternatif bir Diesel yakıtı olduğu ifade edilmiştir. Yücel [110], tarafından yapılmış olan bir çalışmada pamuk yağının motor elemanları üzerine etkileri incelenmiştir. Çalışmada pamuk yağı %25, %50, %75 oranlarında Diesel yakıtı ile karışım oluşturmuş, tek silindirli bir Diesel motorunda yakıt olarak kullanılmıştır. Çalışmada, yanma odası, piston, supab ve enjektörde karbon kalıntısı oluştuğun ve Diesel yakıtı ile çalışmada meydana gelen yanma odası, piston, supab ve enjektör kalıntıları kolay temizlenebildiği halde pamuk yağı karışımları ile çalışmada oluşan kalıntıların güçlükle temizlenebildiğin gözlenmiştir. Ayrıca karışımdaki pamuk yağı oranı arttıkça segman yuvaları ve yüzeylerinde tortu oluştuğu, ayrıca, egzoz supabı tablasında ve piston tablasında aşırı karbon kalıntısı olduğu gözlenmiştir. Ancak 100 saatlik çalışma sonucunda segman yapışmasına ve kırılmasına rastlanmadığı ifade edilmiştir [87]. 49 He ve Bao [111], kanola yağı ve kanola yağı/Diesel yakıtı karışımlarının motor elemanları üzerine etkilerini belirlemek için tek silindirli, su soğutmalı S195 model motorda çalışma yapmışlardır. Yaptıkları çalışmaya göre kanola yağının ısıl değerinin yüksek olmasından dolayı alternatif yakıt olduğu ve motorda bir değişiklik yapılmadan saf olarak kullanılabileceğini ifade etmişlerdir. Bununla birlikte kanola yağının viskozitesinin yüksek olması yaygın kullanımında önemli bir sorun olduğu açıklanmıştır. Yine motor gücünde ve termal veriminde artış olabilmesi için motorda bazı değişikliklerin olması gerektiği ifade edilmiştir. Deney sonuçlarına göre %30 kanola yağı ve %70 0 numara Diesel yakıtının motorda uygun şekilde kullanılabileceği gözlenmiştir. 3.4 Araç Üreticilerinin Biodiesel Kullanımı ile ilgili Garantileri Motor yakıtlarının motorlarda kullanılabilmesi için motor firmalarının bu yakıta garanti vermesi gerekmektedir. Ancak motor üreticileri ürettikleri motorlara malzeme ve işçilik kapsamında garanti vermektedirler. Eğer motor parçalarında malzeme, üretim veya işçilik hatası olursa bu problem garanti kapsamında çözmektedirler. Bununla birlikte araçların kullanım kılavuzlarında araçta kullanılan motorun hangi yakıta göre tasarlandığı ve motorda hangi yakıtın kullanılması ile ilgili bilgiler yazmaktadır. Motor üreticileri yakıt veya yakıt elemanlarını üretmediğinden bu yakıtlara garanti vermezler. Eğer yakıt kaynaklı hasar olduğu zaman motor üreticileri değil yakıt üreticileri bu hasarı karşılamaktadır. Yakıt üreticileri veya dağıtıcıları sattıkları yakıtın standartlarda olmaması durumunda hasarı karşılamaktadır. Bu nedenle yakıt üreticileri ürettikleri yakıt kalitesinin arkasında olmalıdır. Birçok araç üreticisi B20’ye kadar olan biodiesel karışımlarının motor parçalarına ve işçilik garantisine etki etmediğini resmi olarak ifade etmişlerdir. Özellikle B2 yakıtı karışımları yaygın kullanılabilmektedir. Bazı motor üreticileri kullanılan biodieselin ASTM D–6751 ve EN 14214 standartlarına uygun olması gerektiğini açıklamışlardır [112]. Araç üreticilerinin ve yakıt püskürtme sistem üreticilerinin biodiesel kullanımına garanti verdiği karışım oranları Çizelge 3.3 ve Çizelge 3.4’de verilmektedir. 50 Çizelge 3.3 Araç üreticilerinin biodiesel kullanımına garantileri [112] Üretici Caterpillar Cummins Ford General Motors Volvo John Deere Audi Wolkswagen Mercedes Benz Garanti Tier 4 Interim/Stage IIIb motor modellerine ve çoğu motorlara B20 için garanti verilmiştir. Bazı Tier 2/Stage II motorlar ve eski emisyon yönetmelikli motorlar ise B5 için garantilidir. Biodiesel ASTM D6751 standardına uygun olmalıdır. Tüm 2010 Cummins motorları B20 garantilidir. Biodiesel ASTM D6751 standardına uygun olmalıdır. 2010 ve öncesi olan motorlara B5 garantisi verilmiştir. 2011 ve sonrası model motorlar ise B20 garantilidir. Biodiesel ASTM D6751 ve EN 14214 standartlarına uygun olmalıdır. Tüm 2011 model araçlar ve Chevy Silverado, GMC Sierra, Chevy Express ve GMC Savanna model araçları içeren 2011 üstü model araçlar B20 için garantilidir. Diğer GM araçlara B5’e kadar garanti verilmiştir. Biodiesel ASTM D6751 standardına uygun olmalıdır. Volvo kamyon üreticisi B5’den fazla karışım oranlarına garanti vermemektedir. Tier 3/Stage IIIA araçlarda B20 kullanılabilmektedir. Biodiesel ASTM D6751 standardına uygun olmalıdır. B5 karışımlarına kadar garanti verilmiştir. Tüm Amerikan TDI Diesel araçlar B5’e kadar garantilidir. Biodiesel ASTM D6751 ve ASTM D975 standartlarına uygun olmalıdır. Mercedes Benz-Amerika tüm Bluetec motorlar dahil ortak hatlı Diesel araçlara B5 için garanti vermiştir. Biodiesel ASTM D6751 standardına uygun olmalıdır. Çizelge 3.4 Yakıt püskürtme sistem üreticilerinin Biodiesel kullanımına garantileri [112] Yakıt Püskürtme Üreticisi Bosch Delphi Stanadyne Garanti B5’e kadar onaylanmıştır. Biodiesel EN 14214 standardına uygun olmalıdır. B5’e kadar onaylanmıştır. Biodiesel ASTM D6751 standardına uygun olmalıdır. B20’ye kadar onaylanmıştır. Biodiesel ASTM D6751 standardına uygun olmalıdır. 51 BÖLÜM 4 HESAPLAMALI AKIŞKANLAR DİNAMİĞİ İLE ÇOK BOYUTLU MODELLEME İçten yanmalı motorların matematiksel olarak modellenmesi termodinamik ve çokboyutlu modeller olarak incelenebilmektedir. Termodinamik modellerde termodinamiğin I. Yasası ile motor performansı incelenmektedir. Termodinamik modeller akışkanın yerel hız bileşenlerine ve yerel sıcaklıklara ilişkin bilgi içermemektedir. İçten yanmalı motorlarda yanma prosesi modellenirken, yanma odası bir ya da daha çok bölge ile temsil edilmektedir. Tek bölgeli modellerde karışım özellikleri, sıcaklık ve basınç değerleri homojen olarak kabul edilmektedir. Şekil 4.1’de görüldüğü gibi çok bölgeli modellerde yanma odası yanmamış, yanmakta olan ve yanmış karışım bölgelerinden oluşur [13]. Şekil 4.1 Çok bölgeli termodinamik model [13] Termodinamik modeller, sadece zamana bağlı adi diferansiyel denklemler içerdiğinden hem zamana hem de konuma bağlı kısmi diferansiyel denklem içeren çok boyutlu modellere göre daha kısa zamanda ve düşük maliyetle çözülebilmektedir. Bu nedenle 52 termodinamik model kullanılarak, silindir içi basınç diyagramından hareketle yanma sırasında açığa çıkan ısının analizini yapmak çok elverişlidir [113]. Ancak yanma odasındaki gaz hareketlerini etkileyen silindir ve piston geometrisinin etkileri bu yaklaşımla incelenemez. Bununla birlikte motorlardan kaynaklanan kirletici emisyonların hesaplanmasında da daha ayrıntılı ve hassas yaklaşımların kullanımı gerekmektedir. Çok boyutlu modellerde, piston geometrisi 3 boyutlu bir ağ yapısı ile temsil edilmektedir. Navier Stokes denklemleri ile kütle, momentum ve enerji korunumu denklemlerinin çözülmesi ile akışkana ait hız, sıcaklık, basınç vb. gibi bilgiler hesaplanmaktadır. Akış problemi, yukarıda da ifade edildiği gibi hesaplamalı hücrelere ayrıklaştırılarak çözülmektedir. İçten yanmalı motorlarda yakıtın püskürtülmesi ve karışım oluşumunun HAD ile modellenmesi, sıvı yakıt ve karışım oluşumda yer alan daha birçok bileşeni içeren çok bileşenli çoklu faz problemidir. İçten yanmalı motorlarda zamana bağlı akışlar sistem tasarımında önemli bir role sahiptir. Bu nedenle otomotiv sektöründe araç ve motor tasarımlarında simülasyon yazılımları kullanılmaktadır. Bu programlar silindir, piston vb gibi motor parçalarının tek boyutlu olarak bağlanabilmesini sağlamaktadır. Tek boyutlu yazılımlar konseptleri sebebiyle motor içi akışı 3 boyutlu olarak temsil edememekte olup en yaygınları GTPower, Wave, Lotus Engine Simulation ve Boost gibi programlardır. İçten yanmalı motorların tasarımında ve yanmanın çok boyutlu modellenmesinde ise STAR-CD, KIVA3V vb. sayısal akışkanlar dinamiği algoritması yaygın olarak kullanılmaktadır. STAR CDESICE yazılımı ve algoritması ile çeşitli motor geometrilerinin akış alanı içinde zamana bağlı, sıkıştırılabilir, üç boyutlu, iki fazlı, türbülanslı akışın ve çok bileşenli reaktif gazların korunum denklemleri çözülmektedir [13]. 4.1 Türbülans Modelleri Yanma prosesinde türbülans olayı çok önemlidir. Türbülans, yanma sisteminde reaktanların karışım oranına önemli ölçüde etki etmektedir. Tam yanma gerçekleşebilmesi için karışım oranının Kolmogorov ölçeği olarak bilinen en küçük türbülans ölçeğinde gerçekleşmesi gerekmektedir. Bu nedenle yanma akışlarında farklı 53 türbülans parametreleri doğru şekilde modellenmelidir. Akış analizleri için yapılan sayısal hesaplamalarda kullanılan çok sayıda türbülans modeli bulunmaktadır. Bu türbülans modellerin birçoğu aynı fiziksel durumlar için birbirinden farklı sonuçlar verebilmektedir. Literatürdeki türbülans modellerine incelendiğinde Reynolds Ortalama Navier-Stokes denklemleri için türbülans modelleri (RANS), büyük girdaplı simülasyon (LES), direk nümerik simülasyon (DNS) modelleri bulunmaktadır. RANS temelli çok fazla tek fazlı akış modelleri bulunmaktadır. En yaygın RANS türbülans modelleri; Standart k-ε, k-ω modeli Karışım uzunluklu model Spalart-Allmaras modeli Matematiksel gerilme modeli Reynolds gerilme modeli (RSM) Ayrıca Reynolds Yeniden Normalizasyon Grup modeli (RNG), Menter SST k-ω modeli ve ileri türbülans modelleri de kullanılmaktadır *114]. k ve ε sırayla türbülans kinetik enerjisini ve türbülans yayılım oranını göstermektedir. Sonuçlara göre farklı k-ε modeller ile zayıf girdaplı akışlarda mantıklı sonuçlar elde edilmiştir. Standart k-ε modelinin performansını arttırmak için bu modele bazı değişkenler eklenmiştir. Yakhot ve Orszang [115], RNG k- ε modelini, Shih vd. [116] ise gerçekleşebilir k-ε modelini önermişlerdir. Temel akış alanlarında RNG k-ε modelinin diğer k-ε modellerinden daha iyi olduğu ifade edilmiştir. Ancak güçlü girdaplı akışlarda RSM kullanılması gerektiği ifade edilmektedir. Standart k-ε modeli yarı ampirik model olup Jones ve Launder [117] tarafından önerilmiştir. Basit oluşu, sağlam ve doğru sonuç vermesi sebebi ile mühendislik uygulamalarında kullanılmaktadır. Daha sonra k-ε modelinin düşük Reynolds sayılarında kullanılamayacağını ifade edilmiş ve k-ω modeli önerilmiştir. Bundan duvara yakın türbülansı optimize eden zaman skalalı k-ε modeli 54 geliştirilmiştir. Ters basınç gradyenlerine karşı standart k-ε , RNG k-ε ve Kesme Gerilmesi İletimi (SST) modellerinin performansı karşılaştırılmış ve SST modelin bu çeşit uygulamalar için optimize edildiğinden en iyi sonuç verdiğini ifade edilmiştir. Genel olarak, mühendislik uygulamalarında k-ε modelleri yeterli ölçüde doğru sonuçlar vermektedir. RSM modeli ise, diferansiyel iletim denklemlerini kullanarak ayrı ayrı Reynolds gerilmelerinin çözümünü içermektedir [118, 119, 120, 121]. Ayrı Reynolds gerilmeleri Reynolds-ortalama momentum eşitliğini kapatmak için kullanılır. RSM, izotropik viskozite etkisini hesaplayan RANS türbülans modelleri içinde en ayrıntılı modeldir. Yüksek girdaplı akışlarda kullanılabilmektedir. Ancak ilave iletim denklemlerinin çözülmesi için daha fazla bilgisayar süresine ihtiyaç vardır. RSM modeli, Reynolds gerilmeleri ve yayılım oranı iletim denklemlerinin çözülmesiyle Reynolds-ortalamalı Navier-Stokes denklemine yaklaşmaktadır. LES modeli, mühendislik uygulamalarında da kullanılmaktadır. Bu modelin amacı, daha küçük skalalar modellenirken türbülansın büyük skalalarını çözmektir. DNS modeli, süper bilgisayarların iyi olması durumunda uzun dönemde çok fazlı akışlarda önemli rol oynayacağı düşünülmektedir [122]. Türbülanslı akışta büyük girdaplar küçük girdaplara dönüştükçe kinetik enerji çıkar ve sonra daha küçük girdaplara parçalanmaktadır. Uzunluk skalaları geometriye bağlı entegre uzunluk skalaları ile başlamakta olup en küçük girdaplara (Kolmogorov uzunluk ölçeği) azalmaktadır. Şekil 4.2’de uzunluk skalasının tersi olan dalga sayısının, k fonksiyonu olarak girdapların enerjisi E (k) görülmektedir [123]. Şekil 4.2 Türbülans kinetik enerji spektrumu [123] 55 Türbülans, hesaplamalı akışlar dinamiği ile nümerik çözümlerde akış, damlacık ve yanma prosesinde doğru sonuçlar elde edilmesinde önemli rol oynamaktadır. Türbülans girdapları, değişken zamana ve uzunluk skalası ile birlikte farklı ölçüdeki vortekslerin sürekli spektrumunu oluşturmaktadır. En büyük girdaplar entegre uzunluk skalası ile karakterize edilmekte olup kararlı olmayıp parçalanarak enerjilerini daha küçük girdaplara transfer ederler. Bu küçük girdaplar da yine daha küçük girdaplara parçalanarak enerjilerini yine daha küçüklere transfer ederler. Bu enerji transferi atalet kuvvetlerinin yeteri kadar küçük ve moleküler viskozitenin kinetik enerjiyi yaymada efektif olana kadar devam eder. Isıya dönüşen türbülansın en küçük yapıları Kolmogorov ölçekleri ile karakterize edilmektedir. Büyük girdapların geometrisini ortalama akış ve sınır şartlar belirlemektedir. Akıştaki en küçük yapılara ise moleküler viskozite ve büyük girdaplardan küçük girdaplara olan enerji transfer oranı etki etmektedir. Türbülans dengede olduğu zaman (türbülans üretim oranının yayılım oranına eşit olması) yayılım oranı ε, büyük girdaplardan transfer olan enerji ile belirlenir [124]. Standart k-ε türbülans modelinde girdap viskozitesinin izotropik olduğu ve bu nedenle tüm Reynolds gerilmelerinde aynı olduğu kabul edilmektedir. Türbülans kinetik enerjisi, k ve enerji yayılım oranı, ε, için iki iletim denklemi çözülmektedir. Bu model türbülans simülasyonlarında genel kullanılabilirliği ve ekonomisi yüzünden yaygın olarak kullanılmaktadır. Türbülans kinetik enerjisi ve yayılım oranı ile ilgili iletim denklemleri aşağıda verilmektedir. Standart k- ε türbülans modelinde girdap viskozitesinin izotropik olduğu ve bu nedenle tüm Reynolds gerilmelerinde aynı olduğu kabul edilmektedir. Türbülans kinetik enerjisi k ve enerji yayılım oranı ε için iki iletim denklemi çözülmektedir. Bu model türbülans simülasyonlarında genel kullanılabilirliği ve ekonomisi yüzünden yaygın olarak kullanılmaktadır. 4.2 Lagrange Çok Fazlı Akış Modelleme İçten yanmalı motorlarda çok fazlı akışın modellenmesinde hava ile yakıtın karışımı Lagrange yaklaşımı ile yapılır. Akış içerisindeki dağınık faz ile sürekli faz arasında 56 momentum, kütle ve ısı geçişi olmaktadır. Bu geçişlerin miktarı, damlacıkların büyüklüğüne, yoğunluğu, hızına ve sıcaklığına bağlıdır. Akış laminar ise bir noktadan çıkan her damlacık düzgün bir yol izler, diğer yandan, türbülanslı bir akış içerisindeki ayrık elemanlar, dalgalanan ve değişen türbülanslı hız alanının etkisiyle oluşan rastgele yörüngeleri takip eder. Bu damlacıklar kendi aralarında da etkileşim içerisinde bulunabilirler. Eğer dağınık faz buharlaşabilir, çözünebilir ya da reaksiyona girebilir durumda ise, fazlar arasında kütle geçişi ve sıcaklık farkı sebebiyle oluşan ısı geçişi olmaktadır. Fazlar arası kütle geçişi, dağınık fazın elemanlarının boyutlarında değişikliğe neden olur. İlk boyutları aynı yani tek biçimli olan damlacıklar, bu etkileşimler sonucunda değişken dağılımlı boyutlara sahip olurlar. Boyut değişimi, damlacıklara etkiyen ve onların daha küçük parçalara ayrılmasına sebep olan akışkan dinamiği temelli kuvvetlerden de kaynaklanabilir. Ayrıca diğer etkileşim ise cidar ile damlacıklar arasında oluşur. Bu olayın sonucu çarpışma şiddetine bağlı olarak parçalanma ya da yansıma olabilir [125]. 4.3 Sprey Modelleme Sıvı jetin parçalanması 2 mekanizma ile açıklanabilmektedir. İlk mekanizma, bozulmamış ana sıvı damlacığın küçük damlacıklara parçalanmasıdır. Buna birincil parçalanma adı verilmektedir. Bu mekanizma damlacık boyutu ve parçalanma uzunluğu ile karakterize edilmektedir. İkinci mekanizma ise damlacıkların daha küçük damlacıklara parçalanması olan ikincil parçalanmadır. Burada damlacıkların boyutu önemlidir. Parçalanma uzunluğu ve damlacık boyutu sıvının özelliklerine ve onu çevreleyen gaza bağlıdır. Ayrıca sıvı ve onu çevreleyen gaz arasındaki bağıl hız da önemlidir [126]. 4.3.1 Birincil Parçalanma Modelleri Birincil parçalanma Rayleight, birinci girdap uyarışlı rejim, ikinci girdap uyarışlı rejim ve atomizasyon olmak üzere viskoz kuvvetlerin yüzey gerilme kuvvetlerine oranı olan Ohnesorge Oh (4.1) sayısına göre 4 farklı rejim ile açıklanabilmektedir. Diesel motorlarda birincil parçalanma için atomizasyon rejimi geçerlidir *127]. 57 Oh = We Re (4.1) Re = ubDdρg μs (4.2) We = ub2Ddρg ςs (4.3) Oh = μs (4.4) ςsρgDd Verilen denklemde, Oh Ohnesorge sayısını, Re Reynolds sayısını, We Weber sayısını, Dd damlacığın iç çapını (m), σs, sıvının yüzey gerilimini (N/m), ρg, akış bölgesindeki gazın yoğunluğu (kg/m3), ub damlacık ve gaz fazı bağıl hızı ifade etmektedir. Diesel motorlarda birincil parçalanma, silindir içinde karışım oluşumu ile ilgili hesaplamalar için başlangıç koşullarını verir. Sprey oluşumunun simülasyonu, sıvı fazın Lagrange tanımı damlaların varlığını gerektirdiği için, her zaman yanma odasına girmeye çalışan damlalarla başlar. Birincil parçalanma modelinin amacı enjektör içindeki akış şartlarından etkilenen bu damlaların başlangıç yarıçapı ve hız bileşenleri (sprey açısı) gibi başlangıç koşullarını belirlemektir. Deneysel araştırmalar yoğun sprey ve küçük boyutlara bağlı olarak çok karmaşık olduğundan yüksek basınç spreylerinin birincil parçalanma modellemesi için çok az sayıda ayrıntılı model vardır. Bu nedenle, birincil parçalanma modellerinin doğrulanması zordur. Yüksek basınçlı enjektörler içindeki akışı benzetmek mümkün olmakla beraber enjektör içindeki (Eulerian tarif) ve dışında (Lagrangian tarif) sıvı fazın farklı matematiksel tanımları yüzünden birincil parçalanmayı direkt olarak hesaplamak mümkün değildir ve modeller kullanılmalıdır. Birincil parçalanma modellerine bakıldığında aerodinamik-uyarımlı, kavitasyon-uyarımlı ve türbülans-uyarımlı parçalanma gibi farklı parçalanma modelleri sınıfları vardır. Model basitleştikçe daha az veri girişine ihtiyaç duyulacağından daha genel bir modelleme ile uygulama alanları genişleyecektir. Ayrıntılı modeller, hesaplama zamanını çok fazla miktarda artırmakla birlikte her modelin kendine has uygulama alanları vardır. Giriş verisine, hesaplama zamanına, belirli bir konfigürasyonun ilgili 58 parçalanma prosesinin yanı sıra simülasyonunda istenen doğruluğa bağlı olarak uygun model seçilmelidir. Günümüzde sıvılardaki parçalanma olayının fiziği kesin açıklamaya sahip olmamakla birlikte sıvıların parçalanmasında iç ve dış kuvvetlerin rolü önemlidir. Parçalanmada en büyük etkiyi atalet kuvvetleri ile viskoz kuvvetler arasındaki dengeyi tanımlayan Reynolds sayısının belirlediği bilinmektedir Bu konuda çok sayıda araştırma yapılmış ve çeşitli teoriler geliştirilmiştir [113,127]. Literatürdeki birincil yanma modelleri incelendiğinde, Reitz ve Diwaker [128] tarafından geliştirilen, Diesel yakıtı spreylerin çıkışındaki enjektörden çıkan ilk damlaların başlangıç şartlarını belirlemenin en kolay ve tercih edilen yöntemi olarak damla modeli karşımıza çıkmaktadır. Damla modeli, enjektör yakınındaki yoğun spreydeki damla parçalanması ile atomizasyonun ayırt edilemeyen prosesler olduğu varsayımına dayanır. Damla modeline ile detaylı bir simülasyon yerine, daha sonradan aerodinamik veya diğer etkenler ile uyarılmış ikincil parçalanmaya maruz kalacak olan aynı boyutlardaki büyük küresel damlaların püskürtmesi yapılabilmektedir. Bu damlaların çapı enjektör delik çapı olan Dd’ye eşittir. Birim zamanda püskürtülen damlaların sayısı kütle akış hızından belirlenebilir. Enjektörün içinde sert bir akış olduğu varsayılarak, kütle korunumu damlaların püskürtme hızını verir. Her bir damlanın hız bileşenlerinin belirlenmesi için, sprey koni açısı k ölçümlerden bilinmeli veya yarı ampirik bağıntılarla tahmin edilmelidir [127]. Kuensberg vd. [129], tüm püskürtme olayı boyunca etkin püskürtme hızını ve etkin damla çapını dinamik olarak hesaplayan ve kavitasyona bağlı enjektör akış alanı azalmasını da göz önünde bulunduran bir damla metodu geliştirmişleridir. Enjektör deliğinin akışının tek boyutlu analitik modeli için girdi parametreleri olarak kütle akışı ve enjektör geometrisi kullanılır. Bu model ile püskürtme süresi boyunca her zaman adımı için enjektör deliği içindeki akışın türbülanslı veya kavitasyonlu olduğunu belirler. Damla modeli, Eulerian-Lagrangian HAD kodlarına uygulamak için basit ve iyi bilinen bir yöntem olup birincil sprey bileşimi hakkında detaylı bilgi olmadığından ve sprey koni açısı ile ilgili ölçümler mümkün olduğundan yanma odasına giren sıvının başlangıç 59 şartları belirlenebilmektedir. Ancak bu model birincil parçalanma sırasındaki ilgili proseslerin detaylı bir fiziksel ve tatmin edici modellemesini temsil etmez. Bu modelde enjektör dışında türbülans ve kavitasyon kabarcıklarının parçalanmasıyla desteklenen birincil parçalanma dikkate alınmamıştır [127]. Huh ve Gosman [130], tam koni Diesel spreylerde türbülans-uyarımlı atomizasyon için model geliştirmişlerdir. Bu model ile birincil sprey koni açısı da tahmin edilmekte olup, araştırmacılar, aerodinamik kuvvetlere bağlı olarak eksponansiyel olarak artan ve yeni damlacıklar oluşturan başlangıç yüzeyindeki karışıklığın sebebinin enjektörden çıkan sıvıdaki türbülans kuvvetleri olduğunu ifade etmişlerdir. En kararsız yüzey dalgasının dalga boyu türbülans ölçeğine skalasına göre belirlenmiştir. Atomizasyon modeli, çapı enjektör delik çapı Dd’ye eşit olan küresel damlaların püskürtülmesi ile başlar. Gaz ve damla arasındaki bağıl hız nedeniyle başlangıçtaki yüzey dalgaları büyür ve karakteristik bir atomizasyon uzunluk ölçeği LA ve zaman ölçeği τA ile parçalanır. Birincil sprey koni açısınının tahmin edilmesi için spreyin LA/τA gibi bir radyal hız ile ayrıldığını kabul edilmiştir. Radyal ve eksensel hızların kombinasyonu sprey koni açısı k’yı vermektedir. Bu modelde kavitasyon etkileri hesaba katılmamıştır. Bunun yerine enjektör delik çıkışındaki türbülansın, enjektör özelliklerinin birincil sprey parçalanması üzerine etkisini temsil ettiği kabul edilmiştir. Bu model, kavitasyonsuz türbülanslı enjektör delik spreylerinde kullanılmaktadır [127]. Arcoumanis vd. [131], tarafından tam koni Diesel spreyler için, kavitasyon, türbülans ve aerodinamik etkileri de göz önüne alan birincil parçalanma modeli geliştirilmişlerdir. Araştırmacılar tek boyutlu alt model kullanarak efektif delik alanı, püskürtme hızı ve türbülans kinetik enerjisi gibi giriş verilerini tahmin etmişlerdir. Böylece sprey özelliklerinin enjektör delik akışı ile ilişkisi belirlenebilmektedir. Damlacığın başlangıç çapı efektif delik çapına eşit olarak alınmıştır [127]. Nishimura ve Assanis [132] tarafından tam koni spreyler için kavitasyon kabarcığının bozulma enerjisini de hesaba katan bir kavitasyon ve türbülans uyarımlı birincil parçalanma modeli geliştirilmiştir [127]. 60 Baumgarten vd. [133, 134, 135], tarafından tam koni spreyleri için ileri parçalanma ve karışma proseslerinin simülasyonu için gerekli olan başlangıç koşullarını tahmin eden ayrıntılı kavitasyon ve türbülans uyarımlı birincil parçalanma modeli geliştirilmiştir. Model enerji ve kuvvet denkliklerine dayanmakta olup giriş verisi enjektör akışının HAD hesaplamalarından çıkarılır. Bu model, delik içindeki sıvının ve kabarcıkların karmaşık dağılımını basitleştirir ve bir sıvı bölgesi (bölge 1) ve sıvı ile kabarcıklar içeren ve bölge 1’i saran bir karışım bölgesi (bölge 2) olarak iki bölge tanımlar. Bu model yüksek basınç Diesel yakıtı püskürtmelerinin simülasyonu için çok uygundur [127]. 4.3.2 İkincil Parçalanma Modelleri Yakıtın püskürtülmesi ile oluşan ilk damlacıklar ortam içerisinde ilerlerken damlacıklar, üzerindeki atalet kuvvetleri ve hava ile sıvı arasındaki direnç nedeniyle ikincil parçalanma ile daha küçük damlacıklara ayrılmaktadır. Damlacık yüzeyi üzerinde gelişen kararsız dalgalar içerisinde veya damlacığın tüm kısmında aerodinamik kuvvetler oluşmaktadır. Yüzeyde meydana gelen gerilme kuvvetleri ise, damlacık formunu küresel bir şekilde tutmaya çalışırken deformasyon kuvvetlerini ise etkisiz hale getirmeye parçalanmayı önlemeye çalışmaktadır. Bu durum daha önce de ifade edildiği gibi boyutsuz bir sayı olan ve parçalanma süresini de etkileyen atalet kuvvetlerinin yüzey gerilme kuvvetlerine oranı olarak tanımlanan We sayısı ile ifade edilebilmektedir [113,127]. Dolayısı ile çevredeki gaz ve damlacık arasındaki hızdan dolayı meydana gelen aerodinamik kuvvetler nedeniyle mevcut damlacıklar küçük parçalara ayrılarak parçalanmaktadır (Şekil 4.3). Parçalara ayrılan damlacıklar etki eden kuvvetler sonucunda önceki konumundan daha kararsız hale gelmektedir [137]. Çizelge 4.1’de bu modellerde incelenen parçalanma türleri ve Çizelge 4.2’te parçalanma süreleri verilmektedir. 61 Şekil 4.3 Püskürtme mekanizması-ikincil parçalanma oluşumu [137] Çizelge 4.1. Parçalanma türleri [127] Parçalanma Türleri Parçalanma Şekilleri Salınımlı parçalanma Kese şeklinde parçalanma Kese ve şerit halinde parçalanma Düzensiz parçalanma Tabakadan sökülme şeklinde parçalanma Dalga üzerinden geçerek parçalanma Katastrofik (kötü) parçalanma Çizelge 4.2 Parçalanma türleri ve parçalanma süreleri [127] Parçalanma Türleri Salınımlı parçalanma Kese şeklinde parçalanma Kese ve şerit halinde parçalanma Düzensiz parçalanma Tabakadan sökülme şeklinde parçalanma Dalga üzerinden geçerek parçalanma Katastrofik (kötü) parçalanma Parçalanma Süresi ( τp) π 4 σ ρσ δ 3 - 6, 25 -0,5 μσ ρσ δ Weber sayısı We ≈ 12 2 -0,25 6(We - 12) 12 ≤ We ≤ 18 2,45(We - 12)0,25 18 ≤ We ≤ 45 -0,25 14,1(We - 12) 45 ≤ We ≤ 100 -0,25 14,1(We - 12) 100 ≤ We ≤ 350 0,25 0,766(We - 12) 350 ≤ We ≤ 1000 0,25 0,766(We - 12) 1000 ≤ We ≤ 2760 62 Damlacık boyutları ve parçalanma süreleri farklı olduğundan her parçalanma türünde yarı-ampirik ifadeler kullanılmaktadır. Buna göre Arcoumanis vd. (1997) [131], tarafından damlacık boyutu ile toplam parçalanma süresi arasındaki ilişki (4.5) eşitliği ile ifade edilebilmektedir [127]. D τP = τPar d ub ρs ρg (4.5) Reitz ve Diwakar [128], damlacığın parçalanmasını ifade edebilmek için Dalga veya diğer ismi ile Kelvin-Helmholtz modelini geliştirmişlerdir. Bu modelde sıkıştırılamayan bir gaz ortamına enjektörden eksenel yönde silindirik biçimde püskürtülen sıvı ve ortam gazı arasında aerodinamik etkileşimler sonucu, sıvı yüzeyi üzerinde dalgalanmalar meydana gelmektedir. Damlacıklar sıvı yüzeyinden kararsız bir şekilde ayrılmaktadır [127]. O’Rourke ve Amsden [138], Taylor Analoji Parçalanma (TAB) modelini önermişlerdir. Model, bir gaz ortamına belirli hızda salınımlı olarak nüfuz eden bir damlacık ile salınımlı bir yay-kütle sistemi arasındaki kıyaslamaya dayanmaktadır. Bu modelde damlacık bir yay-kütle sistemi gibi düşünülmektedir. Damlacık için bir deformasyon denklemi çözülmekte ve maksimum deformasyondan sonra damlacıklar parçalanmaktadır. TAB modeli genellikle, püskürtme içerisindeki damlacıkların dinamik çekme katsayılarının hesaplanması için gerekli deformasyonlarının belirlenmesi amacıyla kullanılmaktadır. Yapılan araştırmalara göre; Diesel motorlardaki gibi aerodinamik kuvvetlerin üstün olduğu yüksek püskürtme basınçları altında püskürtme hesaplamaları için TAB modelinin en iyi elverişli olduğu düşünülmektedir. Modelde, kütle üzerindeki dış kuvvet, yayın dengeleme kuvveti ve sönümleme kuvveti ile yüzey gerilimleri, sıvının viskozitesi, gaz aerodinamik kuvvetleri arasında ayrı ayrı kıyaslamalar yapılmaktadır. TAB modelinde parçalanma sonrası, küçük damlacıkların salınımları üzerindeki sıvı viskozitesinin etkileri belirlenerek, damlacık parçalanması için kritik bir We sayısı olmadığı kabul edilmektedir. TAB modelinde damlaların yeni küçük damlacıklara parçalanmasıyla tam bir dağılım sağlanmakta olup yeni oluşan damlacıkların sayıları ve boyutları hakkında herhangi bir 63 bilgi verilmemekte ve damlacıklar hakkındaki değerler salınımdan ve yüzey geriliminden meydana gelen kinetik enerji dengesi vasıtasıyla belirlenmektedir. TAB modelinde parçalanma öncesi damlacığın enerjisi, sahip olduğu minimum yüzey enerjisinin toplamıdır. Dalga ve TAB modeli HAD uygulamalarında ikincil parçalanma olarak yaygın olarak kullanılmaktadır. TAB modeli ayrıca püskürtme açısını belirlemek için de kullanılmaktadır [127]. İbrahim vd. [139], akışkan dinamiğine dayalı damlacık deformasyon ve parçalanma modelini (DDB) geliştirmişlerdir. DDB modelinde damlacığın aşırı bir şekilde deforme olduğu ve ilk damlacığın geniş bir boyuta sahip akış tarafından deforme edildiği kabul edilir. Modelde TAB modelde belirlenmeyen lineer olmayan etkiler üzerinde durulduğundan TAB modele alternatif olarak uygulanmaktadır [127]. 4.4 Damlacıkların Çarpışması ve Birleşmesi Birçok sprey uygulamalarında, özellikle içten yanmalı motorlarda damlacıkların çarpışması ve birleşmesi (Şekil 4.4) gerçekleşmektedir. Damlacıkların birleşmesinde 2 damlacık birleşerek tek bir damlacık oluşturmaktadır. Özellikle damlacıkların aralarındaki mesafe kritik değerden daha kısa olduğu zaman bu birleşme oluşmaktadır. Bu çarpışmaların ortalama damlacık boyutlarına, üç boyutlu dağılımlarına, sayı yoğunluğuna ve hızlarına etkisi vardır. Bu nedenle gaz ile damlacıkların arasındaki kütle, momentum ve enerji transferine etkisi vardır [140, 141]. Damlacıkların çarpışması ve birleşmesi ile ilgili Brenn ve Frohn [140, 142], tarafından propanol ve hekzadekan sıvıları üzerine deneysel çalışmalar yapılmıştır. Ancak bu çalışmalar daha çok gözlemsel nitelikte olmuştur. Orme 1997 [141], hidrokarbon damlacıklarının çarpışma dinamiğinin su damlacıklarına göre daha karmaşık olduğunu ifade etmiştir. Bunun sebebi olarak fiziksel özellikleri göstermiştir. 64 Şekil 4.4 Damlacıkların çarpışması ve birleşmesi [141] 4.5 Yanma Modelleri Diesel motorlarda yanma prosesi çok karmaşık olup detaylı mekanizmaları halen tam olarak anlaşılamamıştır. Diesel motorlarda yanma (Şekil 4.5), kısmi ön karışımlı yanmayı ve kısmi difüzyon yanmasını içeren heterojen yanmadır [143, 144]. Şekil 4.5 Diesel motorda yanma prosesleri [143,144] 65 Heterojen yanma için birçok matematiksel modeller geliştirilmiştir. Detaylı çok boyutlu modeller için kısmi diferansiyel ve iletim denklemleri nümerik olarak çözülmektedir. Modeller 0 boyutlu (tek bölgeli) ve çok boyutlu (çok bölgeli) modeller olarak sınıflandırılmaktadır [143,144]. 4.5.1 Tek Bölgeli Yanma Modeli Literatürde yapılmış olan çalışmalar incelendiğinde genelde tek ve iki bölgeli yanma modelleri uygulanmıştır. Tek bölgeli yanma modeline göre, iş gazının termodinamik durumu yalnız sürenin fonksiyonu olmakla birlikte yanma odasının içeriği tüm safhalarda homojen karışmıştır. Şekil 4.6’da piston, silindir, silindir kafası ve supablarından ve oluşan tipik bir motor yanma odası görülmektedir. Kütle ve enerji akışları incelendiğinde, yanma odasında ki kütle ve enerji transferi sırayla (4.6) ve (4.7) eşitliği ile ifade edilmektedir [113]. Şekil 4.6 Tek bölgeli yanma modeli [113] dmsil dmin dmeg dmy dmbb = + + + dt dt dt dt dt (4.6) dmeg dUsil dQ w dQkim dV dmbb dmy dmin = + - Psil sil + hin + heg + hy + h dt dt dt dt dt dt dt dt bb (4.7) Silindir gazının yanma sonu sıcaklığı ve basıncı, belirli bir dolgu kompozisyonu için iç enerji değişiminin sıcaklık ve basınca bağlı değişim korelasyonları ile tanımlanmıştır. 66 Buna göre toplam diferansiyel iç enerji değişimi belirli gaz kompozisyonu için (4.8) eşitliği ile edilebilmektedir. dU dt = d(mu ) dm du =u +m dt dt dt (4.8) Spesifik iç enerji U, sıcaklık, basınç ve yakıt fazlalık katsayısı fonksiyonu olarak da (4.9) eşitliği ifade edilebilmektedir. dU dt =u dm dt +m δu dT δT dt + δu dp δp dt + δu dφ (4.9) δφ dt Basitleştirilmiş ideal gaz denklemi (4.10) eşitliği ile verilmektedir [113]. p dV dt +V dp dt = mR dT dt + RT dm dt + mT dR (4.10) dt 4.5.2 İki Bölgeli Yanma Modeli Tek bölgeli yanma modelinde kimyasal reaksiyonların sıcaklık ile üssel değişimi nedeniyle NOx oluşum mekanizmasının belirlenmesi mümkün olmamaktadır. NOx oluşumunun belirlenmesinde silindir sıcaklık değerinin ortalama değeri yerine, silindir içi pik sıcaklık değerinin bilinmesi daha önemlidir. Heider vd. [145], termodinamik silindir modelinin bu eksikliklerinin giderilmesi için ampirik iki bölgeli yanma modelini geliştirmişlerdir (Şekil 4.7). Bu modele birinci bölge yüksek sıcaklıkta gazların bulunduğu reaksiyon bölgesi olup ikinci bölge ise temiz hava ile bir miktar art gazın bulunduğu bölgedir. Bu yaklaşıma göre, NOx oluşum oranı reaksiyon bölgesindeki sıcaklığa bağlıdır. 67 Şekil 4.7 İki bölgeli yanma modeli [145] Bu iki bölgedeki durum analizi için aşağıda verilen şartlar ve kabuller yapılmakta olup boyutsuz tek bölgeli yanma çözümleri kullanılmaktadır. Her iki bölgede de ideal gaz davranışı gözlenmektedir. Yanmada açığa çıkan ısı yalnızca reaksiyon bölgesinden yayılmaktadır. Kütle ve hacim her iki bölgede de korunmaktadır. Bölge 1 ile 2 arası sıcaklık farkı yanmadan önce maksimum, egzoz supabı açılıncaya kadar karşılıklı ısı transferi sonucu 0 değerine inecektir. Reaksiyon eşdeğerlik oranı φ1 zaman içinde sabit olarak kabul edilmektedir. Bu kabullere göre (4.11), (4.12) ve (4.13) eşitlikleri yazılabilir. Yanma ve yanma olmayan bölge 1 ve 2 numaraları ile temsil edilmektedir. m1 + m2 = msil , V1 + V2 = Vsil ,p1 = p2 = psil (4.11) m1 ( ) = mh,1 ( ) + my ( ) (4.12) m1 ( ) = my ( ). hystok 1 +1 = Qkim ( ) BI . hystok +1 (4.13) 1 Bölgelerin hacimleri, kütle sıcaklık ve silindir basıncına bağlı olarak ideal gaz denkleminden (4.14) aşağıda gibi hesaplanır. 68 mR T Vi = i i i psil m1 T1 + m2 T2 = msil Tsil (4.14) Yukarıda ifade edildiği gibi yanma esnasında 1. bölgeden 2. bölgeye enerji transferi olduğundan iki bölge arasında sıcaklık farkı azalmaktadır. Bu enerji transferi motorun yanmanın olduğu ve dışarıdan tahrik edildiği durumda elde edilen basınç değerleri ile ampirik olarak ifade edilebilmektedir [113]. 4.5.3 Çok Bölgeli Yanma Modelleri Girdaplı Yayılma Modeli (EDM), Magnussen ve Hjertager [146] tarafından geliştirilmiş olup ön karışımsız türbülanslı yanmalara uygulanmaktadır. Bu model girdaplı parçalanma modelinden türetilmiştir. Bu modele göre reaksiyon hızı yakıt, oksidan veya yanma ürünleri ile sınırlıdır olup reaksiyon oranı türbülans ile kontrol edilmektedir[147]. Fraktal modelde, yanma sınırındaki eğimler sonucu artan tutuşma hızı, bir iletim denkleminin çözümüyle elde edilmemekle birlikte farklı boyutlarda çeşitli benzerliklerle varsayımlar yapılmaktadır [113]. Patterson vd. [148], tarafından, laminar ve türbülanslı karakteristik zaman skalası modeli, geliştirilmiştir. Diesel motorlarda ön karışımsız yanmanın modellenmesi için ön karışımlı yanmada kullanılan eşitliklerde bazı modifikasyonlar yapılarak adapte edilmiştir. Karakteristik zaman ölçekli yanma modeli, Diesel motorlarda belirgin bir alev cephesi olmadan ön karışımsız yanmayı tanımlamak için çok uygun gözükmektedir. Bu yanma modeli ile göreceli sadeliği göz önünde bulundurulunca genel olarak çok mantıklı sonuçlar elde edilmiş ve Diesel motor yanması üzerine pek çok çalışma için uygulanmıştır [113]. Tutarlı Alev Modeli (CFM) alev yüzeyindeki yoğunluk esas alınarak geliştirilmiş bir modeldir. Bu modelde, türbülans reaksiyon bölgesi, türbülanslı akış alanı içerisinde gerilmeye maruz kalan fakat laminar (katmanlı) ufak boyutlu tutuşmaları bölgesel olarak muhafaza eden alev oluşum elemanlarının bir topluluğu olarak ifade 69 edilmektedir. CFM, ilk olarak ön karışımlı yanma için geliştirilmiştir. Burada alev cephesi çok ince olup taze karışımı ve yanmış gazları birbirinden ayırmaktadır [149]. Model, türbülanslı yanma sınırında küçük alevler olarak tanımlanan ara yüzeyleri belirleyerek, difüzyon yanma sırasında yakıt ve oksidanı ayırmaktadır. Bu küçük alevler, birim hacimdeki tutuşma alanında tutuşma yüzey yoğunluğu için bir iletim denklemi çözülerek hesaplanmaktadır [113]. 70 BÖLÜM 5 BIODIESEL ÜRETİMİ VE DENEYSEL ÇALIŞMA 5.1 Biodiesel Üretimi 3 LD 510 tipi DP, hava soğutmalı ve tek silindirli Diesel motorda silindir içi yanmanın HAD yöntemi ile modellenebilmesi için öncelikli olarak motorun performans ve emisyon değerleri deneysel olarak incelenmiştir. Motor emisyon ve performans deneylerinde kullanılan Biodiesel, TÜBİTAK Marmara Araştırma Merkezi (MAM) Enerji Enstitüsü “Biodiesel Üretim ve Saflaştırma” laboratuarında transesterifikasyon yöntemiyle kolza yağından üretilmiş olup TS EN 14214 standardına göre analiz edilmiştir. Biodiesel üretiminde hammadde olarak kolza yağı, katalizör olarak NaOH, alkol olarak CH3OH kullanılmıştır. Biodiesel üretimine etki eden ön önemli parametrelerden biri hammaddedir. Hammaddenin yağ asidi profili üretilen biodieselin fiziksel özelliklerine etki etmektedir. Biodiesel üretiminden önce tedarik edilmiş olan kolza yağının asit sayısı, su ve metal içeriği ile birlikte yağ asidi içeriği belirlenmiştir. Tüm bu özellikler transesterifikasyon işleminin verimi etkileyen parametrelerdir. Örneğin yağın içindeki alkali metaller, serbest yağ asidi varlığında sabun oluşumuna neden olur. Sabun oluşması hem proses verimini düşürür hem de iyi saflaştırma yapılmazsa biodieselin kalitesini olumsuz yönde etkiler. Benzer şekilde yağın içindeki serbest yağ asitleri ve su da proses verimini düşüren etkenlerdir. Aynı zamanda yağın molekül ağırlığı da hesaplanmıştır (Çizelge 5.1) 71 Çizelge 5.1 Kolza yağının özellikleri Özellikler Kolza yağı Asit sayısı (mg KOH/g yağ) 0,18 Yoğunluk (g/ml) 0,9211 Su içeriği (ppm) 275 İyot sayısı (g iyot/100g yağ) 102 Na (ppm) 2 K (ppm) 11 Mg (ppm) 11 Ca (ppm) 31 P (ppm) 32 Molekül ağırlığı (g/mol) 882,76 Biodiesel üretiminde sıcaklık kontrollü sirkülatörlü su banyosu, 500 mL, 1000 mL, 2500 mL ve 5000 mL hacimli ısıtma ceketli reaktörler ve bu reaktörlere bağlı geri soğutucular ile mekanik karıştırıcı kullanılmıştır. Biodiesel üretiminde (Şekil 5.1) metanol:yağ oranı 6:1 ve katalizör olarak da yağın ağırlıkça %1’i kadar NaOH kullanılmıştır. Yapılan deneylerde, yağ ısıtma ceketli cam reaktörde 65°C olan reaksiyon sıcaklığına kadar sürekli karıştırılarak ısıtılmıştır. Ayrı bir yerde NaOH katalizörü metanol ile karıştırılarak yaklaşık 40°C’ye ısıtıldıktan sonra 65°C’deki yağın üzerine eklenerek transesterifikasyon reaksiyonu başlatılmıştır. Reaktördeki karışım reaksiyon boyunca mekanik karıştırıcı ile 700 d/d sabit hızla sürekli olarak karıştırılmıştır. Şekil 5.1 Biodiesel üretim düzeneği 72 2 saatlik bir reaksiyon süresinden sonra karıştırma ve ısıtma durdurularak reaksiyon sonlandırılarak reaktördeki biodiesel fazı ile gliserol fazının ayrılması için karışım 4 saat bekletilmiştir. Alt faz olan gliserol fazı reaktörün alt kısmında yer alan musluktan alınarak iki faz birbirinden ayrılmıştır. Biodieselin içindeki fazla metanol, döner buharlaştırıcı (Şekil 5.2) yardımı ile alınmıştır. Şekil 5.2 Döner buharlaştırıcı ile metanol ayırma Fazla metanolü giderilen biodiesel içinde kalan az miktarda katalizör ve sabun gibi safsızlıkların giderilmesi amacıyla su ile yıkanarak ve suyun döner buharlaştırıcı kullanılarak giderilmesi ile saflaştırılmıştır (Şekil 5.3). Şekil 5.3 Biodiesel üretiminde saflaştırma Diesel ve Biodiesel yakıtlarının analiz sonuçları Çizelge 5.2 ve Çizelge 5.3’te verilmektedir. 73 Çizelge 5.2 TS EN 14214 standardına göre biodiesel analizleri REFERANS ÖZELLİK BİRİM 3 SINIR DEĞERLERİ ÖLÇÜM ÖLÇÜM DENEY BELİRSİZLİĞİ DEĞERİ YÖNTEMİ EN AZ EN ÇOK 860 900 0,1 883,7 ISO 12185 Yoğunluk kg/m Viskozite (Akmazlık) mm /s 3,50 5,00 0,0197 4,482 EN ISO 3104 Toplam Kirlilik mg/kg - 24 - 1,50 EN 12662 Oksidasyon Kararlılığı h 6,0 - 0,1 10,47 EN ISO 12205 Parlama Noktası o 120 - 0,2 176 EN ISO 3679 Soğuk Filtre Tıkanma Noktası o - - —10 EN 116 Karbon Kalıntısı % (m/m) - 0,30 - 0,130 EN ISO 10370 Metanol % (m/m) - 0,20 - 0,03 EN 14110 Su mg/kg - 500 19 440 EN ISO 12937 Sülfatlanmış Kül % (m/m) - 0,02 - 0,002 ISO 3987 Kükürt mg/kg - 10,0 - 10,0 ISO 20846 Fosfor mg/kg - 10,0 - <4 EN 14107 mg/kg - 5,0 - 0,56 mg/kg - 5,0 - 1,30 EN 14538 - 120 1,73 109 EN 14111 *Sodyum *Potasyum Kalsiyum Magnezyum 2 C C g. İyot Sayısı iyot/100g +5 (Yaz) -15 (Kış) EN 14108 EN 14109 Monogliserol % (m/m) - 0,80 - 0,52 Digliserol % (m/m) - 0,20 - 0,07 Trigliserol % (m/m) - 0,20 - <0,10 Serbest Gliserol % (m/m) - 0,02 - <0,06 Toplam Gliserol % (m/m) - 0,25 - 0,144 Ester % (m/m) 96,5 - - 97,8 EN 14103 Linolenik asit metil esteri % (m/m) - 12,0 - 9,17 EN 14103 - 0,50 0,38 0,46 Gliserol Gliserol Asit sayısı mg KOH/g EN 14105 EN 14104 Çoklu doymamış metil esterleri % (m/m) - 1,0 - - EN 14103 Setan sayısı - 51,0 - - 55,5 EN ISO 5165 Bakır şerit korozyonu derece Sınıf 1 - 1 EN ISO 2160 74 Çizelge 5.3 TS EN 590 standardına göre Diesel yakıtı analizleri ANALİZ BİRİM 3 Yoğunluk, 15ºC ANALİZ SONUCU EN 590 EN AZ EN ÇOK 820 845 ANALİZ METODU ISO 12185 2,00 55 EN ISO 3104 EN 12662 EN ISO 12205 EN ISO 2719 Kinematik Viskozite 40ºC Toplam kirlilik Oksidasyon Kararlığı Parlama Noktası kg/m 2 mm /s mg/kg 3 g/m ºC 838,2 2,729 <6 4 65,5 Soğuk Filtre Tıkanma Noktası ºC —11 - %H/H 36,1 - 65 %H/H ºC %m/m mg/kg %m/m mg/kg %H/H 94,7 351,5 <0,1 85 0,0015 809 <0,05 85 - 360 0,30 200 0,01 1000 5 %m/m 5,6 - 11 EN 12916 µm Derece 51,5 309 1a 51 - 460 1 EN ISO 5165 EN ISO 12156–1 EN ISO 2160 Destilasyon 250ºC elde edilen 350ºC elde edilen %95’in elde edildiği sıcaklık Karbon Kalıntısı Su Kül Tayini Kükürt Yağ Asidi Metil Esteri (YAME) Polisiklik Aromatik Hidrokarbonlar Setan Sayısı Yağlama Özelliği Bakır Şerit Korozyon Yaz:1Nisan–30.Eylül (±15 gün) 4,50 24 25 +5(Yaz) -15(Kış) EN 116 EN ISO 3405 ISO 20847 EN ISO 12937 EN ISO 6245 ISO 8754 EN 14078 Kış: 1.Ekim–31.Mart (±15 gün) 5.2 Motor Performans ve Egzoz Emisyon Deneyleri Diesel ve biodiesel yakıtları ile karşılaştırmalı olarak yapılan motor performans ve egzoz emisyon (CO, CO2, NO, SO2) deneyleri Anadolu Motor Üretim ve Pazarlama A.Ş Fabrikası’nda yapılmıştır. Deneyler için Anadolu Motor’un 3 LD 510 tipi motor (Şekil 5.4) için kurmuş olduğu performans ve yakıt tüketimi ölçüm düzeneği (Şekil 5.5) kullanılmıştır. Şekil 5.4 Deney motoru genel görünümü 75 Performans ve emisyon deneyleri her iki yakıt için maksimum gaz konumunda 3000– 1600 d/d aralığında 200 d/d aralıklarla tam yük şartlarında 8 noktada yapılmıştır. Deneylere motor kararlı hale geldikten sonra başlanmıştır. Motor her bir devir ve yük konumunda yaklaşık 5 dakika çalıştırıldıktan sonra veriler kaydedilmiştir. Motorun teknik özellikleri Çizelge 5.4’te görülmektedir. Deney düzeneğinin şematik görünümü Şekil 5.6’da verilmektedir. Çizelge 5.4 Deney motoru teknik özellikleri Modeli Silindir sayısı (adet) Silindir çapı (mm) Stroku (mm) Strok hacmi (cm3) Sıkıştırma oranı Devir (d/d) Güç (BG) Maksimum moment (kg-m) Yakıt tüketimi (g/BGh) Yağ tüketimi (gr/h) Boş ağırlık (kg) IVC (o KMA) EVO (o KMA) IVO (o KMA) EVC (o KMA) Püskürtme Şekli 3 LD 510 1 85 90 510 17,5:1 3000 12 3,35 @1800 d/d 190 10 60 592 134 338 389 DP Şekil 5.5 Deney düzeneği 76 Şekil 5.6 Deney düzeneğinin şematik görünümü 1. Dinamometre 2. Diesel motor 3. Kontrol ünitesi 4. Yakıt tankı ve terazi 5. Emisyon cihazı 5.2.1 Döndürme Momentinin Ölçülmesi Döndürme momenti (torku) bir motorun iş yapabilme yeteneğini göstermektedir. Döndürme momenti mekanik, hidrolik ve elektromanyetik dinamometreler yardımı ile ölçülebilmektedir. Bu çalışmada, içten yanmalı motorda güç ve moment ölçmek için maksimum çalışma devri 13000 d/d ve maksimumum gücü 44 kW olan Barghi & Saveri marka FE60S model eddy akım dinamometresi kullanılmıştır. Motorun krank mili çıkışı dinamometreye bağlanarak dinamometrenin rotoruna güç iletilmektedir. Dinamometre, kumanda panosu üzerindeki potansiyometre ile elektrik enerjisi verilerek iki yerinden yataklanmış bir manyetik fren ile frenlenmeye çalışılmaktadır. Bu durumda manyetik frenin statoru da dönmek istemektedir. Fakat statorun üzerinde dönme ekseninden belirli mesafe uzaklığında bir yük hücresi olup, bu yük hücresinin diğer ucu gövdeye sabitlenmiş durumdadır. Böylece motorun dönme momenti yük hücresi üzerine gelen kuvvet*mesafe olarak hesaplanabilmektedir. Şekil 5.7’de motor deney düzeneğinde döndürme momentinin ölçülmesinde kullanılan sistemin çalışma prensibi gösterilmektedir. 77 Şekil 5.7 Deney düzeneğinde döndürme momentinin ölçülmesi Stator üzerinde bulunan kol yük hücresine baskı yaparak, bir devirde 2πr yolu boyunca kuvvet uygulamaktadır. Bu kuvvet motorun döndürme momenti olarak ifade edilmektedir. Statoru döndürmeye çalışan F kuvvetinin oluşturduğu moment (5.1) eşitliği ile hesaplanabilmektedir. (5.1) Md = F * L Buradaki L uzunluğu, F kuvvetinin etkidiği nokta ile rotor merkezi arasındaki mesafeyi ifade etmektedir. 5.2.2 Efektif Gücün Hesaplanması Motorun yanma odasında birim zamanda elde edilen iş indike güçtür. İndike gücün bir kısmı egzoz gazlarını dışarı atmak ve taze havayı emmek için kullanılmaktadır. Bir kısmı yataklar, piston segmanları gibi mekanik elemanların sürtünmelerini yenmek, diğer bir kısmı ise döner elemanlar için harcanmaktadır. (5.2) eşitliği ile verilen efektif güç bir motordan elde edilen yararlı gücün göstergesidir. Efektif güç (Pe), döndürme momenti ve açısal hıza bağlı olarak değişmektedir. (5.2) Pe = ψ * Md Motor devri (n) d/d cinsinden olduğundan açısal hız (5.3) eşitliği ile ifade edilebilmektedir. (5.3) ψ = 2πn 60 = πn 30 Açısal hızı, (5.3)’te yerine koyup birimi kW cinsine dönüştürsek, 78 Pe = (πn 30)Md 10-3 Pe = (πn 9549, 58)Md (5.4) Motorun gücü ise takometreden gelen dönme hızı ile belirlenmiştir. Motor tam gazda iken manyetik fren devir önce boşta devri olan 3250 d/d’dan 3000 d/d’ya düşene kadar yüklenmiştir. Daha sonra fren gücü arttırılarak yukarıda ifade edilen devirler için moment ve güç değerleri hesaplanmıştır. Şekil 5.8’de içten yanmalı motor ile dinamometre arasında kaplin sistemi ve Şekil 5.9’da kontrol paneli görülmektedir. Şekil 5.8 Kaplin sistemi Şekil 5.9 Kontrol paneli 79 5.2.3 Özgül Yakıt Tüketiminin Hesaplanması Özgül yakıt tüketimi, birim güç başına, birim zamanda tüketilen yakıt miktarı olarak ifade edilmektedir. Şekil 5.10’da deney düzeneğinde yakıt tüketiminin ölçülmesinde kullanılan sistem gösterilmektedir. Deneylerde 50 gr yakıtın tüketildiği saniye kronometre ile ölçülmüştür (Şekil 5.11). Şekil 5.10 Deney düzeneğinde yakıt tüketiminin ölçülmesi Şekil 5.11 Deney düzeneğinde yakıt tüketiminin ölçülmesi 80 5.3 Egzoz Emisyon Ölçüm Sistemi Emisyon gazları TÜBİTAK MAM Çevre Enstitüsü ile birlikte Anadolu Motor’da yer alan deney düzeneğinde ölçülmüştür. Emisyon gazlarını ölçmek için Horiba PG–250 cihazı deney düzeneğine bağlanmıştır (Şekil 5.12). Egzoz hattından emiş yapılarak egzoz gazlarının içerisindeki CO, CO2, O2, SO2, ve NO miktarlarının tespiti yapılmıştır. Şekil 5.12 Emisyon ölçüm sistemi Cihaz ile tespit edilen emisyon gazlarının ölçüm prensipleri aşağıda ifade edilmektedir. O2 analizörün ölçüm prensibi (Galvanik Hücre metodu): Anot olarak Altın metali, katot olarak metalik olmayan kurşun ve elektrolit olarak da KOH veya KCl kullanılmaktadır. Elektrotlara uygun bir rezistansın bağlanmasıyla gaz, geçirgen membrandan geçer ve oksijen dahil aşağıda elektrokimyasal reaksiyonda görüldüğü anot tarafından indirgenir. Elektrokimyasal reaksiyon tarafından elektrik akımı oluşturularak ölçüm yapılır ve oksijen konsantrasyonu (5.5) ve (5.6) belirlenir. Anot: Katot: O2 + 2H2O + 4e2Pb 4OH- (5.5) 2Pb2+ + 4e- (5.6) NO analizörünün ölçüm prensibi (Kemilüminesans metodu): Örnek gazı içindeki NO, örnek gazı ozon ile karşılaştığında ozon ile reaksiyona girer ve yükseltgenerek NO2’ye dönüşür. Oluşan NO2 uyarılmış konuma geçer. Uyarılmış konumdan normal (temel) konuma geçerken enerji verir. Bu olay kemilüminesans (5.7) ve (5.8) olarak adlandırılır. 81 NO + O3 NO2 NO2 + O2 (5.7) NO2 + h (5.8) Bu reaksiyon çok hızlıdır ve yalnızca diğer gazlar tarafından etkilenmeyen mevcut NO iştirak eder. Eğer NO konsantrasyonu düşük ise konsantrasyona bağlı olarak elde edilen enerji de düşüktür. CO ve SO2 analizörün ölçüm prensibi (Non-dispersiyon metodu): HORIBA infrared gaz analizörleri içten yanmalı motorlar, duman bacalarından yayılan kirliliklerin gözlenmesi, örnek gazlarının denetlenmesi amacıyla ölçülmesinde kullanılır. PG–200 serileri, bir örnek gazındaki bileşik konsantrasyonunun ölçülmesi için non-dispersif infrared analizleme metodu kullanır. Bir infrared analizör, ölçülen bileşenin değişen konsantrasyonunu devamlı olarak ölçmek için ölçülen bileşik tarafından absorbe edilen infrared miktarının tespit edilmesi üzerine kuruludur. CO2 analizörün prensibi (Non-dispersiyon metodu): CO2 analizörü iki piroelektrik element sensörü kullanır. Birincisi; ana sensör olup CO2’nin absorpsiyonunu ölçer, diğeri; referans sensör olup algılanan ışık miktarı ile CO2’in absorpsiyonunu ayırmak için bir dalga boyu kullanır. İnfrared ışınları örnek analizöründen geçip CO2 tarafından absorbe edilirken ana sensörden gelen sinyal miktarı düşer. Böylece, CO2 sinyali ana sensörün sinyali ve referans sensörün sinyali arasındaki farlılığın hesaplanmasıyla elde edilir. Referans sinyal tarafından CO2 sinyalinin bölünmesiyle, analizör kirliliğinden ışık miktarındaki dalgalanmalar doğrulandıktan sonra, sinyal CO2 konsantrasyonuna dönüştürülür. Cihazın emisyon ölçüm aralıkları aşağıda verilmektedir. CO 0 – 5000 ppm SO2 0 – 1000 ppm NO 0 – 5000 ppm O2 0 – 21 (% Hacim) CO2 0 – 20 (% Hacim ) 82 BÖLÜM 6 HESAPLAMALI AKIŞKANLAR DİNAMİĞİ İLE SOĞUK AKIŞ VE YANMANIN MODELLENMESİ Çalışmanın bu bölümünde performans ve emisyon deneyleri yapılan motor için yanma odasına ait geometrinin ve çözüm ağının hazırlanması, soğuk akış ve yanmanın modellemesinde kullanılan temel korunum denklemleri ve çözüm algoritması anlatılmıştır. Bunlarla birlikte soğuk akış ve yanmada kullanılan türbülans modeli, atomizasyon modeli, damlacık parçalanma, çarpışma, buharlaşma, duvar etkileşim, yanma ve emisyon modelleri matematiksel olarak açıklanmıştır. Modelleme çalışması için Anadolu Motor Üretim ve Pazarlama A.Ş’ den Diesel motora ait yanma odasının belirlenmesi amacıyla teknik çizimleri elde edilmiştir. Elde edilmiş olan teknik çizimlere göre motorun yanma bölgesi çizilmiştir. Bu yanma odası için soğuk akıştan sonra 3000–1600 d/d aralığında 200 d/d zaman adımlarında Diesel yakıtı ve biodiesel için farklı püskürtme avanslarında, püskürtme sürelerinde ve damlacık sayılarında yanma prosesi uygulanmıştır. Sonuçlar deneysel çalışma ile karşılaştırılmıştır. 6.1 Geometri ve Katı Modelleme Anadolu Motor’dan yanma odası ile ilgili teknik çizimler elde edildikten sonra motorun yanma bölgesi olan kısımları ABAQUS programında oluşturulmuştur. Piston üst yüzeyi, silindir kafası, emme ve egzoz manifold çizimleri elde edildikten sonra birleştirme işlemleri yapılmıştır. ABAQUS'ta geometri birleştirildikten sonra çözüm ağı öncesinde 83 hesaplamalı akışkanlar dinamiği çizimlerden kalan hatalar düzeltilmiştir. Yüzey çözüm ağı yapılmıştır (Şekil 6.1). Parça STAR-CCM+'ta yüzeylere bölünerek global eksen takımı ES-ICE modülünde istenen şekle getirilmiştir. Bu işlem sırasında supablar, portlar ve piston kasesi birbirinden ayrılarak farklı sınır koşullar olarak kaydedilmiştir. Birleştirilmiş parça ES-ICE modülüne hazır hale getirilmiştir. Geometride piston üst yüzeyi, silindir kafası ile piston arasındaki kısım ve trim yapılacak yüzeyler tanımlanmış olup veritabanına kaydedilmiştir. Şekil 6.1 Yanma odasının yüzey çözüm ağı 6.2 ES-ICE’da Yapılan Çalışmalar 6.2.1 Çözüm Ağ Yapısı ES-ICE, STAR-CD’nin Diesel ve benzinli motor simülasyon modülüdür. Zamana bağlı çözümlerde motor akışkan hacminin hareketli geometri nedeni ile her zaman adımında yeniden oluşturulması gerekmektedir. ES-ICE sayısal çözüm ağının oluşturulması, hareketli hale getirilmesi başlangıç koşulları ve sınır koşullarının tanımlanmasında kullanılır. İlk aşamada hareketli bölgeler ve hareketsiz bölgelere ayrılmış katı model ve yüzey çözüm ağı motorun ÜÖN’daki konumunda ES-ICE’a aktarılmıştır (Şekil 6.2). 84 Şekil 6.2 Yanma odasının hacim çözüm ağı ve kesit resmi Aktarım işleminin sonrasında hacim çözüm ağının oluşturulması ve hareketli parçaların tanımlanması için gerekli olan eğriler ve eksen takımları oluşturulmuştur. Bu işlemin ardından motorun karakteristik özellikleri olan çap, strok, supab hareket bilgileri ESICE’a aktarılmış ve tüm bu aşamaların sonrasında trim metodu ile hacim çözüm ağı oluşturulmuştur. Sayısal çözüm ağı oluşturulurken silindir içersinde altı yüzlü elamanlar (hekzahedral), emme ve egzoz kanallarında ise hekzahedral ve dört yüzlü (tetrahedral) elemanlar kullanılmıştır (Şekil 6.3). Altı yüzlü elemanlar hareketli çözüm ağı için gerekli olup daha kısa hesaplama süresinde daha kararlı ve doğru sonuçlar vermektedir. Ancak geometrinin karmaşık olduğu kanallarda (emme-egzoz kanallarında) tetrahedral elemanlar kullanılmıştır. Sayısal çözüm ağı, emme ve egzoz kanallarını ve silindir içi hacmi kapsamaktadır. Oluşturulan hücre sayısı, alt ölü noktada seyrek çözüm ağı için 168,448 olmaktadır. Emme ve egzoz kanallarını ve silindir içi hacmi için çözüm ağı oluşturulurken malsimum silindir içi basıncının hücre sayısı ile değişmediği minimium hücre sayısı, hücre kalitesi ve çözüm zamanı dikkate alınmıştır. Çizelge 6.1’ve Şekil 6.3’de 4 farklı hücre sayısı için hesaplama zamanı ve maksimum silindir içi basınç değerleri verilmiştir. Şekil 6.4’de ise ağ yapısı görülmektedir. Motorun karmaşıklığı sebebiyle sayısal çözüm ağı farklı topolojilerle üç ana alana (emme kanalı, egzoz kanalı, silindir içi hacim) ayrılmış ve her bir alanda birbirinden ayrı çözüm ağı oluşturulmuştur. Böylece hem çözüm ağı kalitesi arttırılmış hem de çözüm ağı oluşturmak için gereken süre azaltılmıştır. Farklı alt tanım bölgelerinin koordinasyonları birbirinden ayrı bölgelerin yüzeylerini birleştiren keyfi ara yüzeylerle sağlanmıştır. 85 Çizelge 6.1 Farklı çözüm ağlarına göre maksimum silindir içi basınç değerleri Çok Seyrek Çözüm Seyrek Ağı Çözüm Ağı Hücre Sayısı 75,000 Maksimum Geometri düzgün Silindir içi tanımlanamadğından basıncı yanma olmamıştır. (3000d/dk Diesel yakıtı için) Çözüm Zamanı - 120,000 53,08 Orta Sıklıkta Çözüm Ağı 168,448 69,61 bar 24 saat 36 saat Sık Çözüm Ağı Çok Sık Çözüm Ağı 250,000 69,61 400,000 69,61 63 saat 80 saat Şekil 6.3 Farklı çözüm ağlarına göre maksimum silindir içi basınç değerleri Şekil 6.4 Çözüm ağı 86 Emme ve egzoz supabları altındaki çözüm ağı supabların silindir ile temas eden alt yüzeylerinden oluşturulan bir düzlemin periyodik olarak aşağıya doğru indirilmesiyle yaratılan altı yüzlü elemanlardan oluşmaktadır. Emme supabları kapalı olduğunda emme kanalındaki çözüm ile silindir içindeki çözüm birbirinden bağımsız olmaktadır. Bu çözüm şekli ise daha az işlemci zamanıyla çözüme ulaşılmasını sağlamaktadır. Bu modellemede hareketli çözüm ağı ve sınır koşulları, Star-CD programında her bir zaman adımı için bir durum tanımı şeklinde ifade edilir. Bu tanımlanan hareketli çözüm ağı ve sınır koşullar duruma göre aktif ya da pasif duruma dönüştürülür. Örneğin silindirde emme sırasında piston aşağı doğru inerken yeni çözüm ağı elemanları aktif hale gelir; sıkıştırma durumunda ise, pistonun hareketi yukarı yöne olduğundan, aşağıda kalan elemanlar ve sınır koşullar çözüm için pasif durumdadır. Hareketli çözüm ağı kavramı, belirli elemanların sıfır hacme sahip olacak şekilde sıkıştırılıp, bu elemanlara ait bilgilerin (basınç, sıcaklık, kütle, momentum, entalpi, vb.) komşu elemanlara aktarılmasını içerir. Bu nedenle, korunum denklemleri hiçbir eleman tabakaları kaldırılmadan sağlanmış olur. Aynı zamanda, eleman tabakaları aktif hale geldiğinde, kendi gerçek hacimlerine geri dönmüş ve bilgilerini yüzey değerleriyle birlikte tekrar içermiş olur. 6.2.2 Supab Kalkışı ve Yakıt Tanımlanması ES-ICE’de çözüm ağı oluşturulduktan sonra PROSTAR’da simülasyona başlanmadan önce motora ait emme ve egzoz supablarının kalkış haritası ve motor devirleri programa girilmiştir. Diesel yakıtı olarak hepta metil nonan (C16H34) biodiesel olarak metil oleat (C19H36O2) tanımlanmıştır. Yakıt, 4 delikli enjektörlerden püskürtülerek silindir içine gönderilmiştir. Yanma modeli olarak ECFM-3Z, is modeli olarak Mauss seçilmiştir. Zaman adımı 0,1o KMA seçilmiştir. 6.2.3 Başlangıç ve Sınır Koşulları ES-ICE’de çözüm ağı oluşturulduktan sonra PROSTAR’da simülasyona başlanmadan önce başlangıçtaki silindir içi sıcaklıklarının girilmesi gerekmektedir. Başlangıç koşulu olarak silindir içerisinde, emme ve egzoz kanallarındaki basınç atmosfer koşullarında 87 seçilmiştir. Basınç 1 bar, sıcaklık ise 306oK olarak alınmış olup sıcaklıklar homojendir. Motorun tüm bölümlerinde başlangıçta havanın hareketsiz olduğu kabul edilmiş ve hızlar sıfır girilmiştir. Yakıt sıcaklığı ise 306oK olarak kabul edilmiştir. Sınır koşulları olarak emme ve egzoz kanallarının atmosfere açıldığı kabulü yapılmıştır. Dolayısıyla emme kanalı girişinde ve egzoz kanalı çıkışında atmosferik koşullar sınır koşul olarak alınmıştır. Kanalların duvarları için ise adyabatik duvar sınır koşulu seçilmiştir. Silindir duvarı 400oK, piston kafası 450oK ve silindir kapağı 500oK kabul edilmiştir. 6.3 PROSTAR’da Soğuk Akış ve Yanma Simülasyonu ES-ICE da yapılması gereken çalışmalar tamamlandıktan sonra PROSTAR’da model okutulup çözüm işlemi başlatılmıştır. Bunun için çok fazlı akış modeli, türbülans modeli, birincil ve ikincil parçalanma modelleri, NOx ve is oluşum modelleri, yakıtın fiziksel özellikleri, her devir için püskürtülen yakıt miktarı, püskürtme avansı ve süresi girilmiştir. Model çözüme hazırlandıktan sonra çözüm başlatılmıştır (Şekil 6.5). Şekil 6.5 PROSTAR’a alınan model geometri Tam çevrim analizinde 4 işlemcili, 4 GB hafızalı HPxW8400 bilgisayarda 3 işlemci kullanılarak toplam çözüm zamanı yaklaşık 36 saat olmaktadır. Çözümde kullanılan 88 başlangıç ve sınır koşulları, temel denklemler, çözüm algoritması ve matematiksel modeller aşağıdaki bölümlerde açıklanmıştır. Özetle soğuk akış ve yanmanın simülasyonunda; Diesel yakıtını temsil etmek için hepta metil nonan (C16H34) Biodieseli temsil etmek için metil oleat (C19H36O2) Çok fazlı akış için Lagrange modeli Türbülans için RNG k-ε modeli Atomizasyon (Birincil parçalanma) için Huh modeli Damlacık parçalanması (İkincil parçalanma) için Reitz modeli Yanma için ECFM-3Z yanma modeli NOx oluşumu için Zeldovich mekanizması İs için Mauss modeli kullanılmıştır. Kanola yağından biodiesel üretildikten sonra biodiesel ve Diesel yakıtlarının gaz kromotografi analizleri yapılmıştır. Yapılan analizlerde yakıtların kütlesel olarak % bileşimleri belirlenip ortalama kütle hesabına göre simülasyonda Diesel ve biodiesel yakıtlarını temsil eden hidrokarbon belirlenmiştir. Çizelge 6.2 ve Çizelge 6.3’de yakıtların % kütlesel hidrokarbon bileşimleri ve Çizelge 6.4 ’de Diesel ve biodiesel yakıtlarının programa girilen sıvı ve gaz özellikleri verilmektedir. Diesel ve Biodiesel yakıtlarını tanımlayan hidrokarbonlar belirlendikten sonra yakıtların sıvı ve gaz özellikleri programa girilmiştir. Sıvı yakıtların yoğunluk, viskozite, setan sayısı ve alt ısıl değerleri TÜBİTAK MAM Enerji Enstitüsü Yakıt Analizleri laboratuarında ölçülerek programa gerçek değerler girilmiştir. Sıvının diğer özellikleri ve gaz fazı özellikleri ise Hysis programından elde edilmiş olup literatür ile doğrulanmıştır. 89 Çizelge 6.2 Diesel yakıtı gaz kromotografi analizleri Karbon Sayısı C5 C7 C8 C9 C10 C11 C12 C13 C14 C15 C16 C17 C18 C19 C20 C21 C22 C23 C24 C25 C26 C27 % 0,013 0,129 0,39 1,42 3,68 6,426 9 10,12 11,9 9,31 8,91 7,81 7,26 6,31 4,87 3,91 3,022 2,29 1.44 0,83 0,5 0,4 % ( kütlesel) 0,00013 0,00129 0,0039 0,0142 0,0368 0,06426 0,09 0,1012 0,119 0,0931 0,0891 0,0781 0,0726 0,0631 0,0487 0,0391 0,03022 0,0229 0,0144 0,0083 0,005 0,004 Molekül ağırlığı 72 100 114 128 142 156 170 184 198 212 226 240 254 268 282 296 310 324 338 352 366 380 Ortalama Ağırlık % ağırlık* mol ağırlığı 0,00936 0,129 0,4446 1,8176 5,2256 10,02456 15,3 18,6208 23,562 19,7372 20,1366 18,744 18,4404 16,9108 13,7334 11,5736 9,3682 7,4196 4,8672 2,9216 1,83 1,52 222,33612 Hepta metil nonan (C16H34) 90 Çizelge 6.3 Biodiesel gaz kromotografi analizleri Karbon Sayısı 12 14 16,0 16,1 18 18,1 18,2 18,3 20,1 22,1 22 20,2 20,3 24 24,1 % ( kütlesel) % kütle 0,010224949 0,061349693 4,580777096 0,224948875 1,840490798 60,21472393 20,75664622 9,642126789 1,226993865 0,071574642 0,91002045 0,030674847 0,143149284 0,132924335 0,153374233 0,0001022 0,0006135 0,0458078 0,0022495 0,0184049 0,6021472 0,2075665 0,0964213 0,0122699 0,0007157 0,0090891 0,0003064 0,0014297 0,0013276 0,0015319 Molekül ağırlığı 214,31 242,36 270,43 268,43 298,484 296,468 294,452 292,436 324 352,574 354,574 322 320 382,62 380,62 Ortalama Kütle Molekül ağırlık* % kütle 0,02191309 0,14868712 12,3877955 0,60383027 5,49357055 178,517388 61,1183599 28,1970499 3,97546012 0,25235358 3,22274163 0,09865196 0,45751634 0,50797181 0,5830576 295,586347 Metil Oleat (C19H36O2) Çizelge 6.4 Diesel yakıtı ve biodiesel simülasyonlarında kullanılan yakıt özellikleri Yoğunluk* (kg/m3) Moleküler ağırlık (kg/mol) Kaynama Sıcaklığı (oK) Kritik sıcaklık (oK) Oluşum sıcaklığı (oK) Setan sayısı* Moleküler viskozite* (kg/ms) Yüzey gerilmesi N/m Özgül ısıl kapasite (J/KgK) Termal iletkenlik (W/mK) Doyma basıncı (Pa) Buharlaşma ısısı (J/kg) Alt ısıl değer* (kJ/g) Oluşum ısısı (J/kg) Yoğunluk (kg/m3) Moleküler ağırlık (kg/mol) Termal genişleme katsayısı Hepta metil nonan (C16H34) Sıvı 838,2 226,4 519,45 692 298 51,5 2,28E–03 0,023 1886 0,093 7,95 264859 42,86 Gaz —1,82E+06 2,85 226,4 0 91 Metil oleat (C19H36O2) 883,7 296 617 764 298 55,5 3,89E–3 0,3786 1937 0,09985 2,141e–2 217000 38,81 —2.111E+06 6,237 296 0 Oluşum ısısı (oK) Moleküler viskozite (kg/msn) Özgül ısıl kapasite (J/KgK) Termal iletkenlik 298 9,45E–06 2526 0,0303 298 6,82–6 2582 0,04065 *TÜBİTAK MAM Yakıt analizleri laboratuarında TS EN590 ve TS EN 14214 standartlarına göre analiz edilmiştir. 6.3.1 Temel Denklemler ve Çözüm Algoritması Akış alanının, sıcaklık dağılımının ve türbülans özelliklerinin hesaplanması için, korunum denklemleri ile türbülans denklemlerinin çözümünde Monotone Advection ve Reconstruction Scheme (MARS) yöntemi kullanılmıştır. Basınç tabanlı çözüm algoritması olarak ise Pressure Implicit Splitting of Operator (PISO) kullanılmıştır [150, 151]. (6.1), (6.2) ve (6.3) eşitlikleri ile en genel halleriyle süreklilik, momentum ve enerji korunum denklemleri verilmektedir. ρ + ρuj = Sm t xj (6.1) ρui ρ + ρu jui -τ ij = + Si t xj xi (6.2) u ρ ρh ρ + ρhu j +Fh,j = + uj + τij i + Se t xj t xj xj (6.3) Sm Kütleyle ilgili kaynak terim Si Momentumla ilgili kaynak terim Se Enerjiyle ilgili kaynak terim τij Gerilme tensörü bileşenleri Fh,j xj yönünde yayılan enerji akısı *151]. 6.3.2 Türbülansın Matematiksel Modeli Çalışmada türbülans modeli olarak RNG k-ε modeli kullanılmıştır Bu model için türbülans kinetik enerji (6.4) eşitliği ile hesaplanır. 92 t ρk + μ ρujk- μ+ t xj ςk 2 k u = μ t P+PB - ρε - μ t i +ρk 3 xj xi ui xi (6.4) Türbülans yayılım hızı (6.5) eşitliği ile hesaplanır. ε ε 2 u = Cε1 μ tP- μ t i +ρk t k xj 3 xi 3 ε ε2 u Cμη 1-η/η0 ρε2 +Cε3 μ tPB - Cε2ρ + Cε4 ρε i k k xi k 1+βη3 ρε + μ ρujε- μ+ t xj ςε ui xi (6.5) η=S k ε 0 ve (6.6) değerleri Çizelge 6.5’ de verilen deneysel katsayılardır. RNG k- modeli ile standart k- modeli karşılaştırıldığında yayılım denkleminin son teriminde ciddi tanımlama farkları görünmektedir. Bu farklılık RNG analizinden kaynaklanıp ortalama akış bozulumunun türbülans üzerindeki etkisini temsil etmektedir [151]. Çizelge 6.5 RNG k- türbülans modelinin katsayıları [151] C k 0.085 0,719 h 0,719 0,9 m 0,9 C1 C2 C3 1,42 1,68 0,0 veya –0,387 1,42 E C4 0,4 9,0 0 4,38 0,012 6.3.3 Çok Fazlı Akış Modeli İçten yanmalı motorlarda yanma modelleme çalışması yaparken her damlacık için oluşturulan Lagrange denklem takımını çözmek mümkündür. Ancak damlacık sayısının büyük olduğu durumlarda istatistiksel bir yaklaşım yapılarak toplam popülasyon, her biri kendi içinde aynı özellikleri içeren sonlu sayıdaki hesaplama parselleri/örneklemleri ile temsil edilir. Popülasyonun uygun bir şekilde temsili için parsel sayısının yeterince büyük olması gerekmektedir. Bu büyüklüğe farklı sayıda örneklemler alınarak elde edilecek çözümlerin karşılaştırılması ile ulaşılabilir [125]. 93 Yakıt ile hava arası etkileşimlerde Lagrange yaklaşımı kullanılarak hesaplanır. Hesaplama alanındaki parsellerin zaman içindeki değişimleri adi diferansiyel denklemlerin kütle, momentum ve enerji için çözülmesi ile elde edilir ve bu çözüm yakıtın hava içindeki hareketini ve karakterini tanımlar. Ayrık faz için temel korunum denklemlerinde akışkan hızı , tanecik hızı ise ile ifade edilmiştir. Alt indis d ayrıksı faza ait bir özelliği ifade etmektedir. Bu göz önüne alınarak, damlacıklar için oluşturulan korunum denklemleri aşağıdaki gibidir[151]. 6.3.3.1 Korunum Denklemleri Kütle: Birim yüzeydeki kütle geçiş hızının Fm olduğu kabul edilirse, damlacık kütlesinin değişimi (6.7)’de gösterilmektedir. (6.7) dmd dt = -AsFm Burada As damlacığın yüzey alanıdır. Buharlaşabilen ya da yoğuşabilen tek bileşenli damlacık için Fm (6.8) eşitliği ile ifade edilmektedir [152]. p t -p v, Fm = Kgptln pt -pv,s (6.8) Bu denklemde, Kg kütle geçişi katsayısı pt, ve pv,s ise sırasıyla gaz basıncı, damlacık etrafındaki ve yüzeyindeki buharın kısmi basınçlarıdır. Damlacık yüzeyindeki buharın kısmi basıncı, Td sıcaklığındaki parçacığın doyma basıncına eşit olmalıdır. (6.8) ve (6.9) eşitlikleri ile kütle gevşeme zaman ölçeği aşağıdaki şekilde tanımlanır: md ρ D τm = = dam d = As Fm 6 Fm ρdamDd p -p 6Kgpt t v, pt -pv,s (6.9) Kütle geçiş katsayısı Kg Ranz tarafından elde edilmiştir [153, 154]. SD Kg = h m RmTmDd (6.10) 94 Bu denklemde Rm karışımın gaz sabitini, Dm buhar difüzyonunu, Tm ise ortalama sıcaklığı ifade etmektedir. Sh ise Sheerwood sayısıdır. Sc Schmidt sayısı olmak üzere, denklemdeki Sh sayısı (6.11) eşitliği ile hesaplanmaktadır. Sh = 2 1 0, 3Re 1/2 Sc1/3 d (6.11) Momentum: Kütlesi olan bir damlacık için momentum denklemi (6.12) aşağıda ifade dilmektedir. du md d = Fdr + Fp + Fam + Fb dt (6.12) Burada; Cd sürükleme katsayısı, Ad ise damlacığın akış yönüne dik kesit alanı Sürükleme katsayısı için çözüm algoritmasında kullanılan korelasyon (6.13) aşağıda ifade edilmiştir. 0,687 3 Cd = 24 1+ 0.15Re d / Re d ,Re d ≤ 10 Cd = 0, 44, Re d > 10 3 (6.13) Burada kullanılan ayrık fazın Reynolds sayısı (6.14) aşağıda ifade edilmiştir: Red = ρ u - ud Dd μ (6.14) Kullanılan kod, bu standart korelasyon dışında, Yuen ve Chen [155] tarafından kurulan korelasyonun ya da kullanıcı tarafından belirlenebilecek bir korelasyonun algoritmaya dahil edilebilmesine olanak verir. Fdr Sürükleme kuvveti (6.15), 1 Fdr = CdρAd u - ud u - ud 2 Vd damlacığın hacmi, (6.14) ise basınç gradyanı Fp damlacığa etkiyen basınç kuvveti (6.16) 95 (6.16) Fp = -Vd p Fam taşıyıcı sürekli faza damlacıkların nüfuz etmesinden kaynaklanan sanal kütle kuvveti, Cam ise bu kütle kuvvetine ait, genellikle 0,5 olarak alınan bir katsayı [125] Fam = -CamρVp d u-ud dt (6.17) ψ açısal hız vektörü, r dönme eksenine olan uzaklık vektörü ve g yerçekimi ivmesi vektörü olmak üzere, Fb yerçekiminden kaynaklanan bünye kuvveti (6.18) ; (6.18) Fb = -md g-ψ* ψ*r -2 ψ*ud xd’nin damlacığa ait konum vektörü olduğu göz önüne alındığında damlacık hızı (6.19) aşağıdaki şekilde ifade edilebilir: (6.19) ud = dxd dt Momentum gevşeme zaman ölçeği, τM = (6.20) aşağıdaki gibi tanımlanabilir: md u-ud 2md 4ρdDd = = Fb CdρAd u-ud 3Cdρ u-ud (6.20) Enerji: Damlacıklar için enerji dengesi, yüzeylerdeki ısı geçiş hızı ve faz değişiminden kaynaklanan ısı alışverişi mekanizmaları ile ilgilidir; bu nedenle denge (6.21) aşağıda verildiği gibi formüle edilir: τM = md u-ud 2md 4ρdDd = = Fb CdρAd u-ud 3Cdρu-ud (6.21) . '' dTd dmd mdCp,d = -As q + hfg d dt dt Bu eşitlkte (6.22) yüzey ısı akısını, cp,d damlacığın özgül ısısını, hf,g ise fiziksel faz değişim entalpisini ifade etmektedir [156]. h toplam ısı geçişi katsayısı olmak üzere düzeltilmiş ısı geçişi katsayısı ısı akısı (6.23) aşağıdaki gibi ifade edilir: 96 h= kmNuZ (eZ -1)Dd (6.23) Burada kullanılan Nusselt sayısı, Nu = 2(1 + 0.3Red1/2Pr1/3 ) (6.24) düzeltme faktörü ise, Z= -Cp dmd /dt πDdkmNu (6.25) 6.21 ve 6.24 numaralı eşitlikler kullanıldığında, ayrık faz için ısıl gevşeme zaman ölçeği (6.26) aşağıdaki gibi belirtilebilir: τT = Cp,dρdDd Cp,dρ D2d d = 6h 6kmNu (6.26) Bu denklemde km sürekli faza ait ısıl iletkenlik katsayısı, Nu ise Nusselt sayısını ifade etmektedir [154]. 6.3.4 Birincil Parçalanmanın Matematiksel Modeli Sayısal çözümlemede, silindir içerisine püskürtülen yakıtın silindir içi dağılımını belirleyen en önemli etken kullanılan atomizasyon modelidir. Karışım oluşumunda hava hareketleri kadar, yakıt demetinin parçalanması ve yanma odası içerisindeki davranışları etkin olmaktadır. Yakıtın yüksek basınç ile yanma odasına püskürtülmesindeki amaç, sıvının atomizasyonu sonucunda çok sayıda damlacığın oluşması ve yakıtın hava ile temas eden yüzey alanının artırılması ile daha kısa sürede buharlaşma ve karışım oluşumunun sağlanmasıdır. Ancak yakıt demetinin çok boyutlu modellenmesinde, sıvının parçalanması sonucu oluşan damlacıklar, mevcut bilgisayar kapasitelerinin yetersizliği nedeniyle damlacık (çap) grupları ile temsil edilmektedir. Bu yöntemde yöneten denklemler Lagrange bakış açısıyla türetildiğinden yakıt demeti modeli ağ yapısına bağımlı olmaktadır *113,127]. 97 Çalışmada atomizasyon modeli olarak Huh modeli kullanılmıştır. Bu model sprey atomizasyonunu modellemek için iki önemli fenomenden faydalanır. Bunlar enjektör içindeki türbülans stresi ve gaz ataleti olarak sıralanabilir. Bu durum iki aşamada açıklanabilir: İlk olarak yakıt enjektör deliği çıkışındayken türbülansın jet yüzeyinde meydana getirdiği karışıklık ikinci olarak ise hava yakıt arasındaki etkileşimler nedeniyle oluşan ve üstel şekilde artan basınç kuvvetleri ve bu kuvvetler nedeniyle damlacıkların jet yüzeyinden ayrılması olarak sıralanabilir. Bu model enjektör çıkışında başlangıç değer karışıklık değerlerini tahmin etmekte ve dalga genişleme teorisi ve atomizasyon modelini temsil eden diğer hipotezleri kullanarak atomizasyonu benzetilmektedir. Delik çıkışındaki ortalama türbülans kinetik enerji (6.27) ve enerji yayılım değeri (6.28) Huh modeline göre aşağıdaki şekilde tanımlanmaktadır: Up2 1 ka = L -Kc -1) 8 d Cd2 D (6.27) KεUp3 1 εa = -K -1) 2Ld C 2 c de (6.28) Denklemde kullanılan Up zaman boyunca ortalama püskürtme hızını, Ld delik derinliğini, Kε deneysel katsayıyı, Cde ise enjektör deşarj katsayısını tanımlamaktadır. Türbülans başlangıç değeri (6.29) ve zaman skalası (6.30) ise aşağıdaki şekilde tanımlanır: L0t = Cμ 0.75 ka1.5 εa (6.29) τ t0 = Cμ 0.75 ka ε (6.30) a 98 Bu denklemde Cμ k- model katsayısıdır. Ca1 ve Ca2 nin model katsayıları olduğu denklemde, türbülans uzunluğu (6.31) ve zaman skalası (6.32) için zamana bağlı değerler ise aşağıdaki gibi ifade edilmektedir: t L t (t) = L0t 1+Ca1 τt0 Ca2 (6.31) t τ t (t) = τ t0 1+Ca1 τ t0 (6.32) Atomizasyon modelinde ikinci aşama olan yüzey dalga genişlemesi ise ayrık faz ile sürekli fazın etkileşimini açıklamaktadır. Karışıklık jet yüzeyinden ayrılana kadar dalga genişleme hızı olan Re(ω) ise karışıklığın genliğini arttırmaktadır. Jet yüzeyinden ayrılmış karışıklık ise ikincil damlacıkları oluşturur [151]. 6.3.5 İkincil Parçalanmanın Matematiksel Modeli Yakıt damlacıkları, sürekli faza göre hızları nedeniyle oluşan yüzey kuvvetleri sebebiyle kararlı durumda bulunmakta zorlanırlar. Bu durum Reitz ve Diwakar [136] tarafından geliştirilen kopma modeliyle çözülebilmektedir. Aerodinamik kuvvetler sebebiyle meydana gelen damlacık ayrılması, Reitz ve Diwakar [136] modelinde iki farklı durumda oluşmaktadır. Bunlardan ilki kese ayrılması olarak adlandırılır. Bu durumda damlacık çevresindeki homojen olmayan basınç bölgesi damlacık düşük basınçlı bölgeye doğru genişlemesine sebep olur. Diğeri ise şerit ayrılması olarak adlandırılır ve bu durumda tanecik yüzeyinden akışkan kopmaları olur. Her durumda teorik çalışmalar ayrılma için kriterler yaratmaya kararlı damlacık çapını ve ayrılma prosesi sırasında karakteristik zaman skalasını tahmin etmeye çalışmaktadır [136]. Bu sayede ayrılma hızı (6.33) aşağıdaki denklem kullanılarak hesaplanır. dDda dt = - Dda - Dda,kararlı (6.33) τb Bu denklemde Dda anlık damlacık çapını temsil etmektedir. 99 6.3.5.1 Kese ayrılması Kararsızlık (6.34) eşitliği ile tanımlandığı şekilde kritik We sayısı ile tanımlanmaktadır. We = ρ u-ud 2Dda 2ςdy (6.34) Cb1 σdy yüzey gerilim katsayısı Cb1 ise deneysel katsayı olarak tanımlanmış ve değeri 3.6 ile 8.4 arasında değişmektedir [151]. Ortak karakteristik zaman (6.35) eşitliği ile aşağıda tanımlanmıştır: C ρ 1/2Dda 3/2 τb = b2 d olup 4ςdy1/2 (6.35) Cb2 » π 6.3.5.2 Şerit Ayrılması Bu rejimin kriteri ise aşağıdaki (6.36) eşitliği ile tanımlanır. We Red (6.36) Cs1 damlacığa ait Reynolds sayısı, Cs1 ise değeri 0,5 olan bir katsayı. Bu durum için belirlenen karakteristik zaman (6.37) aşağıdaki gibidir *151] C ρ τb = s2 d 2 ρ 1/2 Dda u-ud (6.37) 6.3.6 Çarpışma Modeli O’Rourke [157] çarpışma modeli damlacıklar arası çarpışmaların modellenmesi için kullanılmaktadır [157]. Bu model Schmidt ve Rutland [158], tarafından speed-up algoritmasıyla iyileştirilmiştir. Bu model Aamir ve Watkins [159] tarafından vurgulanmış birleştirilmiş zaman skalası yaklaşımını içermektedir. Bu modeldeki kısıtlar ve hücre paralelleştirme mekanizması ise Nordin [160] tarafından incelenmiştir. 100 6.3.7 Buharlaşmanın Matematiksel Modeli Bu model, damlacık kaynamasını ya da kritik sıcaklığa ulaştığında ayrık fazdaki değişimin etkilerini açıklamak için kullanılır. Aşağıdaki koşullar göz önüne alınmalıdır. Burada kritik sıcaklık olup ; pc =0 V Tc (6.38) eşitliğini sağlayan sıcaklık değeridir. Td≥Tb (pc) Tb (pc), çevre basıncında kaynama sıcaklığıdır. Kaynama sıcaklığı doyma basıncındaki (pd) sıcaklıktır. İlk koşulda damlacık aniden buharlaşır. Eğer ikinci koşul sağlanırsa kütle transferi (6.39) eşitliği ile tanımlanır: Cp T - Td dmd k = -2π ı Dd 1 + 0.23Re1/2 ln 1 + dt Cp hfg (6.39) Bu denklemde kı ısıl iletim katsayısı, cp ise karışımın özgül ısısı olarak tanımlanmıştır. Kaynama sırasında damlacık sıcaklığı sabit olarak kalır. Damlacıktan sürekli faza ısı transferi ise (6.40) eşitliği ile aşağıda belirtilmiştir [151]: . dm d = -h dmd qg fg dt dt (6.40) 6.3.8 Duvar Etkileşim Modeli Duvar etkileşim modeli olarak Bai ve Gosman [161+’nın çarpışma modeli kullanılmıştır. Bu model Lagrange modelini iskelet olarak ve literatür çalışmalarını, kütle, momentum enerji korunumu kısıtlarını dikkate alır. Bai’nin yaptığı çalışmaya göre, çarpışma sonrası damlacık özelliklerinin belirlenebilmesi için, ayrık faz ile duvar arasında gerçekleşen çarpışmanın yapısını yansıtmak yerine, rastgele gelişen prosedürlerin uygulanması 101 öngörülür. Bu yaklaşım, ilk damlacık çarpışma ve sıçraması sonucu oluşacak ikincil damlacıkların dağılımının ve boyutlarının elde edilebilmesini sağlar [161]. 6.3.9 Yanmanın Matematiksel Modeli Bu çalışmada yanma modeli olarak ECFM-3Z modeli ve NOx emisyonu için Zeldovich mekanizması kullanılmıştır. ECFM-3Z Colin ve Benkenida [162], arkadaşları tarafından 2003 yılında geliştirilmiş olup, ön karışımlı ve kısmi ön karışımlı yanmayı içermektedir. Bununla birlikte bu model ön karışımsız yanmanın modellenmesi için de uyarlanmıştır. Bu model daha önce benzin motorlarında başarıyla uygulanmıştır. Modeli Diesel motor uygulamalarına uyarlamak için, modele bir karışım hali eklenmiştir. Bu modelde üç karışım bölgesi bulunmaktadır: saf yakıt bölgesi, saf hava ve muhtemel artık gazlar bölgesi ve ECFM modelinin uygulanacağı karışmış bölge. ECFM-3Z modeli Diesel motor yanmasındaki kendi kendine tutuşma, ön karışımlı ve difüzyon yanmasını içermektedir. Kendi kendine tutuşma için ön reaksiyonlar hava ve yakıtın ön karışımı ile hesaplanmaktadır. TG süresi ise bölgesel sıcaklık, basınç, yakıt/hava oranı ve artık gazın miktarı ile belirlenmektedir. Bölgesel kendi kendine tutuşmadan sonra ön karışımlı yanma başlamaktadır. Difüzyon yanmasında reaksiyon, yakıt ve oksijeni ayıran ince bir bölgede gerçekleşmektedir. ECFM-3Z yanma modelinde reaksiyon bölgesindeki kimyasal zaman, difüzyon prosesinde gerekli olan zamandan daha kısa olduğu kabul edilmektedir. Bu nedenle difüzyon yanmasındaki reaksiyon oranı yakıt ve oksijenin karışması ile belirlenmektedir. ECFM-3Z modelindeki bu belirgin yanma rejimleri, modelin Diesel yanmasında uygulanabilirliğini arttırmaktadır. ECFM-3Z yanma modeli, türbülans çevrintileri nedeniyle oluşan ön yüzey alev buruşmasını dikkate alan alev yüzey yoğunluğu denklemine ve yanmış veya yanmamış gazların yerel özelliklerinin, yüksek yerel yakıt tabakalaşma seviyesi durumları da dahil olmak üzere, hassas bir şekilde yeniden yapılandırılmasını sağlayan koşullama ortalama tekniğine dayanır. ECFM-3Z yanma modeli, karışım oranı uzayının sadece üç nokta ile temsil edildiği basitleştirilmiş Conditional Moment Closure tipi bir model olarak ifade edilebilir. Koşullama tekniği, üç karışım bölgesine genişletilmiş olup ECFM modelinde 102 olduğu gibi, karışım bölgesindeki yanmış ve yanmamış gaz özelliklerinin yeniden hesaplanmasını sağlar. Modelin içten yanmalı motorlara uygulanması, kendi kendine tutuşma modelinin, ön karışımlı ve difüzyon alev tanımlarına bağlanmasını gerektirir. Şekil 6.6’da ECFM-3Z bölgeleri görülmektedir. Şekil 6.6 ECFM3Z bölgeleri [162] Şekil 6.6’da görüldüğü gibi ECFM-3Z modelinde her hesaplama elemanı, F harfi ile ifade edilen karışmamış yakıt bölgesi, M harfi ile ifade edilen yakıt içeren karışmış bölge ve A harfi ile ifade edilen hava+EGR bölgesi olarak üç karışım bölgesine bölünür. Yanmanın, A ve F bölgelerinde kesinlikle gerçekleşmediği gibi, sadece M bölgesinde gerçekleşmesi mümkündür. Bu nedenle, yanma hesaplamaları sadece bu bölge kullanılarak sınırlandırılmıştır. ECFM-3Z yanma modelinde, üç karışım bölgesi içeren hesaplama elemanı içerisindeki , , , , , , , O, H, N, ve is bileşenlerinin Favre ortalama kütle yoğunluklarının hesaplanması için iletim denklemi çözülür [162]. 6.3.9.1 Ön Karışımlı Yanma Model, turbulanslı yanma sınırında küçük tutuşmalar olarak tanımlanan ara yüzeyleri belirleyerek, difüzyon yanma sırasında yakıt ve oksidanı ayırmaktadır. Bu küçük tutuşmalar, birim hacimdeki tutuşma alanında tutuşma yüzey yoğunluğu için (6.41) eşitliğinde verilen transport denklemi çözülerek bulunmaktadır 103 ρς t + μ ρςu - ς + μ ς ς t (6.41) ε 2 ρu S 2 1 dp u + αΓ + UL - βUL 3 k 3 ρb Vb 3 γp dt 1-c 2 = + ( ) Burada; c = 1-YY/YTY) İlerleme değişkeni d = 1- (ρYY)/(ρuYTY)Reynolds ortalamalı ilerleme değişkeni Ul Laminar alev hızı YY Yakıtın kütle akışının toplam yakıt karışımına oranı YTY Yakıt izleyici kütle oranı ve Üretim ve tüketim denklemleri için ampirik katsayılar μ Moleküler viskozite μt Türbülanslı viskozite Ѓ ITNFS katsayısı Γ Politropik katsayı ρu, ρb Yanmamış ve yanmış gazın yoğunluğu S Alev yüzeyi V Yanmış gazların hacmi Σ=ρ Alev alanı yoğunluğu Σ, Laminar ve türbülanslı Schmidt sayısı tΣ Laminar alev hızı ile (6.42) eşitliği ile hesaplanmaktadır. T UL = Sl0 u T0 a, b a p p0 b (6.42) 1 - 2,1Xartık Amprik katsayılar 104 Tu Yanmamış gazların mutlak sıcaklığı p Mutlak basınç YY Yakıtın kütle akışının toplam yakıt karışımına oranı Xartık Artık gazların mol fraksiyonu S10 300o K sıcaklıkta, 1 bar basınçta adyabatik alev hızı P0 ve T0 Referans alınan mutlak basınç (1 bar) ve mutlak sıcaklık (300 K) t, ile ifade edilen schmidt sayısı, viskozitenin kütle yayılım gücüne oranını belirten boyutsuz bir sayıdır ve / G kütle bağıntısı ile bulunmaktadır. Burada v, kinematik viskozite olup Gkütle, kütle yayılım gücünü ifade etmektedir. (6.43) eşitliği , t, türbülanslı net tutuşma gerilimini göstermektedir. 1 -(s+0,4) -(s+0,4) log10Γ = e + (1 - e ) ςL (u' / UL )s - 0,11 (s + 0,4) (6.43) Burada u’; turbulans yoğunluğunu, s entropiyi, UL ise laminar alev hızını ifade etmektedir. Reaksiyon Ürünlerinin Transport Denklemi i.reaksiyon elemanının ortalama kütle oranı (Yi) (6.44) eşitliği ile hesaplanır. ρYi + t i , t,i ρYu i - μ eff ς t,i (6.44) Yi = i i reaksiyon elemanının reaksiyon oranı ve Schmidt sayısı Yakıt kütlesinin oranı ise (6.45) ve (6.46) eşitlikleri ile hesaplanır. ρYY + t ρYY u - μeff ς t,i YY = (6.45) Y (6.46) Y = -ρuYTYUL 105 Buharlaşma Eğer yakıt damlacıkları buharlaşırsa, yakıt kütle oranının transport denklemi için (6.47) eşitliğindeki kaynak terimine ihtiyaç duyulmaktadır. (6.47) Y,buh = (1 - c) yakıtın buharlaşma oranı , Bu nedenle YY’in son hali (6.48) eşitliği ile hesaplanır. ρYY + t Y,buh ρYY u - μeff YY = ςt Y + Y,buh (6.48) için ifade edilen eşitlik buharlaşan yakıtın (1-c) kadarının yakıt kütle oranına (YY) katıldığını, kalan ( c ) kısmının fb’ye (alevin arkasındaki bölge) katıldığını ifade etmektedir. Bu nedenle kaynak terin (6.49) eşitliği ile ifade edilmektedir. (6.49) Y,buh = c Böylece YYb kütle oranı için transport denklemi (6.50) eşitliği ile hesaplanmaktadır. ρYYb + t Yb ρYYbu - μ eff YYb = ςt Yb + Yb,buh (6.50) Magnussen modelinden elde edilen reaksiyon oranı Yakıt İzleyici Transport Denklemleri Tracerlar yanmamış gazın içindeki i reaksyon elemanının trace ini tutmaktadır. ECFM yakıt (YTf) ve oksijen (YO2) için (6.51) ve (6.52) eşitliklerini çözmektedir. ρYT,Y + t ρYT,O2 + t ρYTY u - ρYTO2u - μeff ςt μeff ςt (6.51) YTY = (6.52) YTO2 = 0 106 Transport Denkleminin Termal Entalpisi Reaksiyon elemanlarının reaksiyon kaynaklarına göre termal entalpi kaynak terimi (6.53) eşitliği ile hesaplanır. 0 h = - i i (ΔH)i (6.53) (ΔH)i0 oluşum ısısı ρh t + ρhu - μ eff ςh,t h = ρ Dp + ρε + h + hbuh ρu Dt (6.54) hbuh Buharlaşma/yoğuşma sebebi ile olan kaynak terim Yanmamış gazların entalpsi Yanmamış gazların entalpisi (6.55) eşitliği ile hesaplanır. ρhu + t ρhuu - μeff ςh,t hu = ρ Dp + ρε + vhbuh ρu Dt (6.55) 6.3.9.2 Alev Sonrası Yanma Alev sonrası yanma için türbülans kontrollü Magnussen Edi Parçalanma Modeli uygulanmıştır. Bu model “karışan yakılır” esasına dayalı bir yanma modelidir. Modelde reaksiyonların karışım esnasında tamamlandığı varsayılarak, reaksiyon oranı tamamen, türbülanslı karışım ile kontrol edilmektedir. Bu durumda reaksiyon oranı, türbülans dağılımın oranı olarak kullanılmaktadır. Reaksiyon alanı ise, yanmış ve yanmamış bölgelerden oluşmaktadır . Ana reaksiyon oranı (6.56), (6.57) ve (6.58) eşitlikleri ile verilmektedir. RY = Aep Y Y Ü min YY , O ,Bep τt rY (1 + rY ) ρ (6.56) (6.57) τt = k ε 107 Buradan; Y Y ρ RY = Aep min YY , O ,Bep Ü τc rY (1 + rY ) 6.58) Karakterislik zaman ölçeği (6.59) eşitliği ile hesaplanmaktadır. (6.59) τc = τl + fτ t Laminar zaman ölçeği (6.60) eşitliği ile hesaplanmaktadır. τl = A-1exp E RmT (6.60) Türbülanslı zaman ölçeği (6.61) eşitliği ile hesaplanmaktadır. (6.61) τ t = C2 k ε Gecikme faktörü (6.62) eşitliği ile hesaplanmaktadır. f = 1 - e-c 0,632 (6.62) Reaksiyon ilerleme değişkeni (6.63) eşitliği ile hesaplanmaktadır. (6.63) c = YYT - YY YYT - Yartık Karakteristik zaman ölçegine (6.64) ve (6.65) göre yanma oluşur veya oluşmaz. τc = τl ise yanma olmama sınırı (6.64) τc = τl + τ t ise tam yanma sınırı (6.65) Verilen bağıntılarda, YY, YO, YP sırasıyla, yakıt, oksidan ve ürünlerin konsantrasyonunu ifade etmektedir. Aep ve Bep model katsayıları olup, deneysel çalışmalar sonucunda, sırasıyla 4 ve 0,5 değerlerine sahiptirler ancak bu değerler her durum için uygun olmamaktadır. Özellikle yüksek gerilimli bölgelerde, k’nın ε’a oranının yüksek olduğu durumlarda önlem alınmaktadır. Alev sonrası sürecinde yanmış reaksiyon ürünleri (Yi,b ) ve yanmış gazın entalpisi hb hesaplandıktan sonra ortalama kütle oranı için 108 güncellenmiş değerler (Yi,) ve (hb) ilerleme değişkeni c ile elde edilmektedir. Yanmamış reaksiyon ürünleri için kütle oranı (Yi,u) ve hb (6.66) ve (6.67) eşitlikleri ile hesaplanmaktadır [163]. yeni Yi = (1 - c)Yi,u + cYi,b (6.66) yeni h = (1 - c)hu + chb (6.67) 6.3.10 NOx Oluşumunun Matematiksel Modeli NO emisyonlarının hesaplanabilmesi için Genişletilmiş Zeldovitch Modeli (termal NO oluşum modeli) uygulanmıştır. Bu modele göre NO oluşum reaksiyonları ve ileri/geri reaksiyon katsayıları (6.68), (6.69) ve (6.70) eşitlikleri ile verilmektedir [163]. K1 11 10 N2 + O NO + N K1=1,8*10 *exp (-38370/T); K-1=3,8*10 *exp (-425/T) ' K1 (6.68) K2 N+ O2 K2' NO + O K2=1,8*10 T*exp (-4680/T); K--2=3,8*10 T*exp (-20820/T) (6.69) K3 N+ OH K3' NO + H K3=7,1*10 *exp (-450/T); K--3=1,7*10 *exp (-24560/T) 7 10 – ^ R= 6 – 11 (6.70) Anlık NOx oluşum oranı (6.71), (6.72) ve (6.73); ρ2 Y Y Y 1 + K-1 NO / K2 O2 + K3 OH MNO MO2 MOH (6.71) Y 2K-1 NO Y Y MNO Y Y Y Y 2K1 O N2 K-2 O NO + K-3 H NO Y Y MO MN2 MO MNO MH MNO K2 O2 + K3 OH MO2 MOH [O] KP [O2 ]1/2 (kgmol) m-3 Yo [O]Mo / (6.72) (kgmol)1/2m-3/2 (6.73) 109 BÖLÜM 7 MOTOR DENEY SONUÇLARI Performans ve emisyon deneyleri Diesel yakıtı ve biodiesel için maksimum gaz konumunda 3000 -1600 d/d aralığında 200 d/d aralıklar ile tam yük şartlarında 8 noktada yapılmıştır. Test sistemindeki bağıl belirsizlik değeri ± %0,05 dir. Referans değerlerin elde edilebilmesi için deneylerde ilk olarak saf Diesel yakıtı kullanılmıştır. Deneylere başlamadan önce püskürtme avansı kontrol edilmiş ve statik püskürtme avansının Ü.Ö.N’dan önce 25o KMA olduğu tespit edilmiştir. Diesel motoruna ilk hareketi vermek amacı ile dinamometre ile çalıştırılmıştır. Diesel yakıtı ve biodiesel deneylerinin başlangıcında dışarıdan tahrik edilen motor 15 dakika süre ile testi yapılacak yakıt ile rölanti konumunda çalıştırılarak ısıtılmış ve akabinde ölçümlere geçilmiştir. Öncelikle saf Diesel yakıtı ile tam yükte 3000 d/d’da motorun güç, tork, özgül yakıt tüketimi, egzoz gazı sıcaklıkları ve emisyon değerleri ölçülmüş ve kaydedilmiştir. Daha sonra artmaya başlayan motor hızı, motorun yüklenmesi ile düşürülmüş ve 200 d/d aralıklar ile ölçümler tekrarlanmıştır. Biodiesel için yukarıda anlatılan deney prosedürü tekrarlanmış ve sonuçlar kaydedilmiştir. Deneyler sırasında egzoz kanalına %2 bağıl belirsizlik değeri ile termokupullar yerleştirilip egzoz gazı sıcaklıklarının ölçümü gerçekleştirilmiştir. Emisyon ölçümlerinde kullanılan kalibrasyon gazları için seyreltme ünitesine ait belirsizlik ise 0.0023’dür. 110 Çizelge 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 ve 7.5’de emisyon cihazının gazlara ait ölçüm belirsizlikleri verilmektedir. Çizelge 7.1 Emisyon cihazının CO (500 ppm) için bağıl belirsizlik değeri Parametre Seyreltme Ünitesi Belirsizliği Standart Belirsizliği Tekrarlanabilirlik Toplam Belirsizlik B (x) Genişletilmiş belirsizlik(k=2) Bağıl B (x), % Değer (X) 500 3000 497,62 500 b(x) 0,0023 15 0,68 b(x)/X 0,000 0,005 0,001 0,005 2,59 5,19 1,04 Çizelge 7.2 Emisyon cihazının CO (1000 ppm) için bağıl belirsizlik değeri Parametre Seyreltme Ünitesi Belirsizliği Standart Belirsizliği Tekrarlanabilirlik Toplam Belirsizlik B (x) Genişletilmiş belirsizlik(k=2) Bağıl B (x), % Değer (X) 1000 3000 1002 1000 b(x) 0,0023 15 0,82 b(x)/X 0,000 0,005 0,001 0,005 5,07 10,13 1,01 Çizelge 7.3 Emisyon cihazının CO2 (%7) için bağıl belirsizlik değeri Parametre Seyreltme Ünitesi Belirsizliği Standart Belirsizliği Tekrarlanabilirlik Toplam Belirsizlik B (x) Genişletilmiş belirsizlik(k=2) Bağıl B (x), % Değer (X) 7 7,98 7,04 7 b(x) 0,0023 0,0399 0,05 b(x)/X 0,000 0,005 0,007 0,009 0,06 0,12 1,74 Çizelge 7.4 Emisyon cihazının NO (1500 ppm) için bağıl belirsizlik değeri Parametre Seyreltme Ünitesi Belirsizliği Standart Belirsizliği Tekrarlanabilirlik Toplam Belirsizlik B (x) Genişletilmiş belirsizlik(k=2) Bağıl B (x), % Değer (X) 1500 2505 1501,85 1500 111 b(x) 0,0023 12,5 1,00 b(x)/X 0,000 0,005 0,001 0,005 7,57 15,13 1,01 Çizelge 7.5 Emisyon cihazının O2 (%7) için bağıl belirsizlik değeri Parametre Seyreltme Ünitesi Belirsizliği Standart Belirsizliği Tekrarlanabilirlik Toplam Belirsizlik B(x) Genişletilmiş belirsizlik(k=2) Bağıl B (x), % Değer (X) 7 20,566 7,19 7,00 b(x) 0,0023 0,041132 0,03 b(x)/X 0,000 0,002 0,005 0,005 0,035 0,07 1,05 Burada Çizelge 7.5’deki değerler (7.1), (7.2), (7.3), (7.4), (7.5), (7.6) ve (7.7) eşitlikleri ile hesaplanmıştır Belirsizlik = (değer (X) * % ölçüm belirsizliği)/100 (7.1) b(X) = belirsizlik / (7.2) 1 b(x)/X = b(x)/değer (7.3) Toplam Belirsizlik: (belirsizlikler)2 (7.4) B(X) =Toplam belirsizlik*7 (%7 ile kalibrasyonu yapılmış O2 gazı için) (7.5) şeklinde hesaplanmıştır. (kalibrasyon gazının değerine göre 7 sayısı değişmektedir) Genişletilmiş Belirsizlik: = 2*B(X) (7.6) Bağıl Belirsizlik % B(X) =(genişletilmiş belirsizlik/7)*100 (7.7) 112 7.1 3000 d/d Diesel Yakıtı Emisyonları için Toplam Bağıl Belirsizlik Hesapları Emisyon gazlarının bağıl belirsizlik değeri hesabında; emisyon cihazının gazlara ait belirsizlik değerleri, deney düzeneğinin ve termokupulun belirsizlik değerleri de göz önüne alınmıştır. Çizelge 7.6, 7.7, 7.8, 7.9, 7.10 ve 7.11’de belirsizlik hesapları verilmektedir. Çizelge 7.6 Deney düzeneğinin toplam bağıl belirsizlik değeri Deney düzeneği sertifika değerleri kW % Sertifika değeri Belirsizlik Deney düzeneği 7,85 0,05 0,003925 b(x) 0,004 Çizelge 7.7 Termokupul için toplam bağıl belirsizlik değeri Sıcaklık Egzoz gaz sıcaklığı sertifika değerleri o C % Sertifika değeri Belirsizlik b(x) 380 7,6 2 7,6 Çizelge 7.8 CO (500 ppm) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri CO (629,6 ppm) Belirsizliği Parametre Değer (X) b(x) CO gaz bileşeni 629,6 2,59 Deney düzeneği 7,85 0,004 Sıcaklık 380 7,6 Toplam belirsizlik 500 B (x) Genişletilmiş belirsizlik (k=2) Bağıl B (x), % b(x)/X 0,004 0,001 0,02 0,02 10,21 20,43 4,09 Çizelge 7.9 O2 (%7) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri Parametre O2 (%7,06) Belirsizliği Değer (X) O2 gaz bileşeni Deney düzeneği Sıcaklık Toplam belirsizlik B (x) Genişletilmiş belirsizlik (k=2) Bağıl B (x), % 7,06 7,85 380 7 113 b(x) b(x)/X 0,04 0,004 7,6 0,005 0,001 0,02 0,02067 0,145 0,29 4,13 Çizelge 7.10 CO2 (%7) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri CO2 (%9,97) Belirsizliği Değer (X) Parametre CO2 gaz bileşeni Deney düzeneği Sıcaklık Toplam belirsizlik B (x) Genişletilmiş belirsizlik (k=2) Bağıl B (x), % 9,97 7,85 380 7 b(x) b(x)/X 0,06 0,004 7,6 0,006 0,001 0,020 0,02092 0,146 0,29 4,18 Çizelge 7.11 NO (1500 ppm) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri NO (1554,8 ppm) Belirsizliği Parametre Değer (X) b(x) NO gaz bileşeni 1554,8 7,57 Deney düzeneği 7,85 0,004 Sıcaklık 380 7,6 Toplam Belirsizlik 1500 B (x) Genişletilmiş belirsizlik (k=2) Bağıl B (x), % b(x)/X 0,005 0,001 0,02 0,021 30,88 61,77 4,12 7.2 3000 d/d Biodiesel Emisyonları için Toplam Bağıl Belirsizlik Hesapları Çizelge 7.12, 7.13, 7.14, 7.15, 7.16 ve 7.17’de belirsizlik hesapları verilmektedir. Çizelge 7.12 Deney düzeneğinin toplam bağıl belirsizlik değeri Deney düzeneği sertifika değerleri kW % Sertifika değeri Belirsizlik Deney düzeneği 7,33 0,05 0,004 b(x) 0,004 Çizelge 7.13 Termokupul için toplam bağıl belirsizlik değeri Egzoz gaz sıcaklığı sertifika değerleri o C % Sertifika değeri Belirsizlik Sıcaklık 490 2 114 9,8 b(x) 9,8 Çizelge 7.14 CO (500 ppm) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri CO (532 ppm) Belirsizliği Parametre Değer (X) b(x) CO gaz bileşeni 532 2,59 Deney düzeneği 7,33 0,004 Egzoz sıcaklığı 490 9,8 Toplam belirsizlik 500 B (x) b(x)/X 0,005 0,001 0,020 0,021 10,30 Genişletilmiş belirsizlik(k=2) Bağıl B (x), % 20,59 4,12 Çizelge 7.15 O2 (%7) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri Parametre O2 (%8,24) Belirsizliği Değer (X) O2 gaz bileşeni Deney düzeneği Sıcaklık Toplam Belirsizlik B (x) Genişletilmiş belirsizlik(k=2) Bağıl B (x), % 8,24 7,33 490 7 b(x) b(x)/X 0,04 0,004 9,8 0,004 0,001 0,020 0,020 0,14 0,29 4,10 Çizelge 7.16 CO2 (%7) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri Parametre CO2 (%9,43) Belirsizliği Değer (X) b(x) CO2 gaz bileşeni Deney düzeneği Sıcaklık Toplam belirsizlik B (x) 9,43 7,33 490 7 Genişletilmiş belirsizlik(k=2) Bağıl B (x), % 0,04 0,004 9,8 b(x)/X 0,005 0,001 0,020 0,020 0,145 0,29 4,13 115 Çizelge 7.17 NO (1500 ppm) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri NO(1599 ppm) Belirsizliği Parametre Değer (X) b(x) NO gaz bileşeni 1599 7,57 Deney düzeneği 7,33 0,004 Sıcaklık 490 9,8 Toplam Belirsizlik 1500 B (x) Genişletilmiş belirsizlik(k=2) Bağıl B (x), % b(x)/X 0,006 0,001 0,020 0,021 0,147 0,29 4,20 7.3 2800 d/d Diesel Yakıtı Emisyonları için Toplam Bağıl Belirsizlik Hesapları Çizelge 7.18, 7.19, 7.20, 7.21, 7.22 ve 7.23’de belirsizlik hesapları verilmektedir. Çizelge 7.18 Deney düzeneğinin toplam bağıl belirsizlik değeri Deney düzeneği sertifika değerleri kW % Sertifika değeri Belirsizlik Deney düzeneği 7,42 0,05 0,00371 b(x) 0,004 Çizelge 7.19 Termokupul için toplam belirsizlik değeri o C Sıcaklık 351 Sıcaklık sertifika değerleri % Sertifika değeri Belirsizlik 2 7,02 b(x) 7,02 Çizelge 7.20 CO (500 ppm) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri CO (721 ppm) Belirsizliği Parametre Değer (X) CO gaz bileşeni 721 Deney düzeneği 7,42 Egzoz sıcaklığı 351 Toplam belirsizlik 500 B (x) Genişletilmiş belirsizlik (k=2) Bağıl B (x), % 116 b(x) 2,59 0,004 7,02 b(x)/X 0,004 0,001 0,020 0,02 10,16 20,33 4,07 Çizelge 7.21 O2 (%7) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri Parametre O2 (%6,94) Belirsizliği Değer (X) O2 gaz bileşeni Deney düzeneği Sıcaklık Toplam belirsizlik B (x) 6,94 7,42 351 7 b(x) b(x)/X 0,04 0,004 7,02 0,005 0,001 0,020 0,021 0,14 0,29 Genişletilmiş belirsizlik (k=2) Bağıl B (x), % 4,14 Çizelge 7.22 CO2 (%7) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri Parametre CO2 (%10,08) Belirsizliği Değer (X) b(x) CO2 gaz bileşeni Deney düzeneği Sıcaklık Toplam belirsizlik B (x) Genişletilmiş belirsizlik (k=2) Bağıl B (x), % 10,08 7,42 351 7 0,06 0,004 7,02 b(x)/X 0,006 0,001 0,020 0,021 0,15 0,29 4,18 Çizelge 7.23 NO (1500 ppm) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri NO(1554 ppm) Belirsizliği Parametre Değer (X) b(x) NO gaz bileşeni 1742,5 7,57 Deney düzeneği 7,42 0,004 Sıcaklık 351 7,02 Toplam belirsizlik 1500 B (x) Genişletilmiş belirsizlik(k=2) Bağıl B (x), % b(x)/X 0,004 0,001 0,020 0,020 30,71 61,42 4,09 7.4 2800 d/d Biodiesel Yakıtı Emisyonları için Toplam Bağıl Belirsizlik Hesapları Çizelge 7.24, 7.25, 7.26, 7.27, 7.28 ve 7.29’da belirsizlik hesapları verilmektedir. 117 Çizelge 7.24 Deney düzeneğinin toplam bağıl belirsizlik değeri Deney düzeneği sertifika değerleri kW % Sertifika değeri Belirsizlik Deney düzeneği 7,16 0,05 0,004 b(x) 0,036 Çizelge 7.25 Termokupul için toplam bağıl belirsizlik değeri Sıcaklık sertifika değerleri C % Sertifika değeri Belirsizlik 503 2 10,06 o Sıcaklık b(x) 10,06 Çizelge 7.26 CO (500 ppm) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri CO (586,33 ppm) Belirsizliği Değer (X) b(x) 586,33 2,59 7,16 0,004 503 10,06 500 Parametre CO gaz bileşeni Deney düzeneği Egzoz sıcaklığı Toplam belirsizlik B(x) Genişletilmiş belirsizlik (k=2) Bağıl B(x), % b(x)/X 0,004 0,001 0,020 0,020 10,24 20,49 4,10 Çizelge 7.27 O2 (%7) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri Parametre O2 (%7,93) Belirsizliği Değer (X) O2 gaz bileşeni Deney düzeneği Sıcaklık Toplam belirsizlik B (x) Genişletilmiş belirsizlik (k=2) Bağıl B (x), % 118 7,93 7,16 503 7 b(x) b(x)/X 0,04 0,004 10,06 0,005 0,001 0,020 0,021 0,14 0,29 4,11 Çizelge 7.28 CO2 (%7) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri Parametre CO2 gaz bileşeni Deney düzeneği Sıcaklık Toplam belirsizlik B (x) CO2 (%9,66) Belirsizliği Değer (X) 9,66 7,16 503 7 b(x) 0,06 0,004 10,06 Genişletilmiş belirsizlik (k=2) Bağıl B (x), % b(x)/X 0,006 0,001 0,020 0,021 0,15 0,29 4,20 Çizelge 7.29 NO (1500 ppm) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri NO (1711,67 ppm) Belirsizliği Parametre Değer (X) b(x) NO gaz bileşeni 1711,67 7,57 Deney düzeneği 7,16 0,004 Sıcaklık 503 10,06 Toplam belirsizlik 1500 B (x) Genişletilmiş belirsizlik (k=2) Bağıl B (x), % b(x)/X 0,004 0,001 0,020 0,020 30,73 61,47 4,10 7.5 2600 d/d Diesel Yakıtı Emisyonları için Toplam Bağıl Belirsizlik Hesapları Çizelge 7.30, 7.31, 7.32, 7.33, 7.34 ve 7.35’de belirsizlik hesapları verilmektedir. Çizelge 7.30 Deney düzeneğinin toplam bağıl belirsizlik değeri Deney düzeneği sertifika değerleri kW % Sertifika değeri Belirsizlik 6,94 0,05 0,00347 Deney düzeneği b(x) 0,003 Çizelge 7.31 Termokupul için toplam belirsizlik değeri o Sıcaklık C 382 Sıcaklık sertifika değerleri % Sertifika değeri Belirsizlik 2 7,64 119 b(x) 7,64 Çizelge 7.32 CO (1000 ppm) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri CO (866,25 ppm) Belirsizliği Parametre Değer (X) b(x) CO gaz bileşeni 866,25 5,07 Test düzeneği 6,94 0,003 Sıcaklık 382 7,64 Toplam belirsizlik 1000 B (x) Genişletilmiş belirsizlik (k=2) Bağıl B (x), % b(x)/X 0,006 0,001 0,020 0,021 20,84 41,69 4,17 Çizelge 7.33 O2 (%7) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri Parametre O2 (%6,92) Belirsizliği Değer (X) O2 gaz bileşeni Deney düzeneği Sıcaklık Toplam belirsizlik B (x) Genişletilmiş belirsizlik (k=2) 6,92 6,94 382 7 b(x) b(x)/X 0,04 0,003 7,64 0,005 0,001 0,020 0,021 0,14 0,29 4,14 Bağıl B (x), % Çizelge 7.34 CO2 (%7) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri Parametre CO2 (%10,08) Belirsizliği Değer (X) CO2 gaz bileşeni Deney düzeneği Sıcaklık Toplam belirsizlik B (x) Genişletilmiş belirsizlik (k=2) Bağıl B (x), % 120 10,08 6,94 382 7 b(x) b(x)/X 0,06 0,003 7,64 0,006 0,001 0,020 0,021 0,15 0,29 4,18 Çizelge 7.35 NO (1500 ppm) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri NO (1825,75 ppm) Belirsizliği Parametre Değer (X) b(x) NO gaz bileşeni 1825,75 7,57 Deney düzeneği 6,94 0,003 Sıcaklık 382 7,64 Toplam belirsizlik 1500 B (x) Genişletilmiş belirsizlik (k=2) Bağıl B (x), % b(x)/X 0,004 0,001 0,020 0,020 30,65 61,29 4,09 7.6 2600 d/d Biodiesel Yakıtı Emisyonları için Toplam Bağıl Belirsizlik Hesapları Çizelge 7.36, 7.37, 7.38, 7.39, 7.40 ve 7.41’de belirsizlik hesapları verilmektedir. Çizelge 7.36 Deney düzeneğinin toplam bağıl belirsizlik değeri Deney düzeneği sertifika değerleri kW % Sertifika değeri Belirsizlik 6.75 Deney düzeneği 0.05 0.0033 b(x) 0.003 Çizelge 7.37 Termokupul için toplam bağıl belirsizlik değeri o C Sıcaklık Sıcaklık sertifika değerleri % Sertifika değeri Belirsizlik 470 2 9,4 b(x) 9,40 Çizelge 7.38 CO (500 ppm) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri CO (656 ppm) Belirsizliği Değer (X) 656 6,75 470 500 Parametre CO gaz bileşeni Test düzeneği Sıcaklık Toplam belirsizlik B (x) Genişletilmiş belirsizlik (k=2) Bağıl B (x), % 121 b(x) 2,59 0,003 9,40 b(x)/X 0,004 0,001 0,020 0,020 10,20 20,39 4,08 Çizelge 7.39 O2 (%7) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri Parametre O2 (%8,07) Belirsizliği Değer (X) O2 gaz bileşeni Deney düzeneği Sıcaklık Toplam belirsizlik B (x) Genişletilmiş belirsizlik (k=2) 8,07 6,75 470 7 b(x) b(x)/X 0,04 0,003 9,40 0,005 0,001 0,020 0,021 0,14 0,29 4,10 Bağıl B (x), % Çizelge 7.40 CO2 (%7) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri Parametre CO2 (%9,54) Belirsizliği Değer (X) CO2 gaz bileşeni Deney düzeneği Sıcaklık Toplam belirsizlik B (x) Genişletilmiş belirsizlik (k=2) Bağıl B (x), % 9,54 6,75 470,00 7 b(x) b(x)/X 0,06 0,003 9,40 0,006 0,001 0,020 0,021 0,15 0,29 4,20 Çizelge 7.41 NO (1500 ppm) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri NO (1761) Belirsizliği Değer (X) 1761 6,75 470 1500 Parametre NO gaz bileşeni Deney düzeneği Sıcaklık Toplam belirsizlik B (x) Genişletilmiş belirsizlik (k=2) Bağıl B (x), % b(x) 7,57 0,003 9,40 b(x)/X 0,004 0,001 0,020 0,020 30,69 61,39 4,09 7.7 2400 d/d Diesel Yakıtı Emisyonları için Toplam Bağıl Belirsizlik Hesapları Çizelge 7.42, 7.43, 7.44, 7.45, 7.46 ve 7.47’de belirsizlik hesapları verilmektedir. 122 Çizelge 7.42 Deney düzeneğinin toplam bağıl belirsizlik değeri Deney düzeneği sertifika değerleri kW % Sertifika değeri Belirsizlik 6,45 0,05 0,003225 Deney düzeneği b(x) 0,003 Çizelge 7.43 Termokupul için toplam belirsizlik değeri o C Sıcaklık Sıcaklık sertifika değerleri % Sertifika değeri Belirsizlik 350 2 7 b(x) 700 Çizelge 7.44 CO (1000 ppm) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri CO (1192 ppm) Belirsizliği Değer (X) b(x) 1192 5,07 6,45 0,003 350 7 1000 Parametre CO gaz bileşeni Deney düzeneği Sıcaklık Toplam belirsizlik B(x) Genişletilmiş belirsizlik (k=2) Bağıl B (x), % b(x)/X 0,004 0,001 0,020 0,020 20,45 40,91 4,09 Çizelge 7.45 O2 (%7) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri O2 (%7,10) Belirsizliği Parametre O2 gaz bileşeni Deney düzeneği Sıcaklık Toplam belirsizlik Değer (X) 7,1 6,45 350 7 B(x) Genişletilmiş belirsizlik (k=2) Bağıl B (x), % b(x) 0,04 b(x)/X 0,005 0,003 7 0,001 0,020 0,021 0,14 0,29 4,13 123 Çizelge 7.46 CO2 (%7) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri CO2 (%9,92) Belirsizliği Parametre CO2 gaz bileşeni Deney düzeneği Sıcaklık Toplam belirsizlik B (x) Genişletilmiş belirsizlik (k=2) Bağıl B (x), % Değer (X) 9,92 b(x) 0,06 b(x)/X 0,006 6,45 350 7 0,003 7 0,001 0,020 0,021 0,15 0,29 4,19 Çizelge 7.47 NO (1500 ppm) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri NO (1853,25 ppm) Belirsizliği Parametre Değer (X) b(x) NO gaz bileşeni 1853,25 7,57 Deney düzeneği 6,45 0,003 Sıcaklık 350 7 Toplam belirsizlik 1500 B(x) Genişletilmiş belirsizlik (k=2) Bağıl B (x), % b(x)/X 0,004 0,001 0,020 0,020 30,63 61,26 4,08 7.8 2400 d/d Biodiesel Yakıtı Emisyonları için Toplam Bağıl Belirsizlik Hesapları Çizelge 7.48, 7.49, 7.50, 7.51, 7.52 ve 7.53’de belirsizlik hesapları verilmektedir. Çizelge 7.48 Deney düzeneğinin toplam bağıl belirsizlik değeri Deney düzeneği sertifika değerleri kW % Sertifika değeri Belirsizlik Deney düzeneği 6,45 0,05 0,003225 b(x) 0,003 Çizelge 7.49 Termokupul için toplam bağıl belirsizlik değeri Sıcaklık sertifika değerleri C % Sertifika değeri Belirsizlik o Sıcaklık 457 2 124 9,14 b(x) 9,14 Çizelge 7.50 CO (1000 ppm) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri CO (850,83 ppm) Belirsizliği Parametre Değer (X) b(x) CO gaz bileşeni 850,83 5,07 Deney düzeneği 6,45 0,003 Sıcaklık 457,00 9,14 Toplam belirsizlik 1000 B (x) Genişletilmiş belirsizlik (k=2) Bağıl B (x), % b(x)/X 0,006 0,001 0,020 0,021 20,87 41,75 4,17 Çizelge 7.51 O2 (%7) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri Parametre O2 gaz bileşeni O2 (%7,68) Belirsizliği Değer (X) 7.68 Deney düzeneği Sıcaklık Toplam belirsizlik 6.45 457 7 b(x) 0.04 b(x)/X 0,005 0,003 9,14 0,001 0,020 0,021 B (x) 0,14 Genişletilmiş belirsizlik (k=2) Bağıl B (x), % 0,29 4,11 Çizelge 7.52 CO2 (%7) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri CO2 (%9,83) Belirsizliği Parametre CO2 gaz bileşeni Deney düzeneği Sıcaklık Toplam belirsizlik B(x) Genişletilmiş belirsizlik (k=2) Bağıl B (x), % Değer (X) 9,83 b(x) 0,06 b(x)/X 0,006 6,45 457 7 0,003 9,14 0,001 0,020 0,021 0,15 0,29 4,19 125 Çizelge 7.53 NO (1500 ppm) gazının toplam bağıl belirsizlik değeri NO (1847 ppm) Belirsizliği Parametre Değer (X) NO gaz bileşeni 1847 Deney düzeneği 6,45 Sıcaklık 457,00 Toplam belirsizlik 1500 B(x) Genişletilmiş belirsizlik (k=2) Bağıl B (x), % b(x) 7,57 0,003 9,14 b(x)/X 0,004 0,001 0,020 0,020 30,63 61,26 4,08 Sonuçlar Çizelge 7.54’de verilmektedir. 126 Çizelge 7.54 Diesel ve Biodiesel yakıtları için deney sonuçları 127 Çizelge 7.54 Diesel ve Biodiesel yakıtları için deney sonuçları (devam) 128 Çizelge 7.54 Diesel ve Biodiesel yakıtları için deney sonuçları (devam) 129 Çizelge 7.54 Diesel ve Biodiesel yakıtları için deney sonuçları (devam) 130 Çizelge 7.54 Diesel ve Biodiesel yakıtları için deney sonuçları (devam) 131 Çizelge 7.54 Diesel ve Biodiesel yakıtları için deney sonuçları (devam) 132 Çizelge 7.54 Diesel ve Biodiesel yakıtları için deney sonuçları (devam) 133 Çizelge 7.54 Diesel ve Biodiesel yakıtları için deney sonuçları (devam) 134 Çizelge 7.54 Diesel ve Biodiesel yakıtları için deney sonuçları (devam) 135 Çizelge 7.54 Diesel ve Biodiesel yakıtları için deney sonuçları (devam) 136 Motor emisyon deneylerinde CO, NO ve SO2 egzoz emisyonları ppm, CO2 egzoz emisyonu ve egzoz gazları içerisindeki O2 ise % olarak ölçülmüştür. Simülasyon ve gerçek deney değerleri ise birim enerji başına (g/kWh) açığa çıkan emisyon miktarı olarak karşılaştırılmıştır. Bu nedenle gerçek deneylerde elde edilmiş olan ppm ve % emisyon değerleri aşağıda ifade edilen 2 yöntem ile g/kWh’e dönüştürülmüştür. Çizelge 7.54’de ifade edilmiş olan (1) ve (2) değerleri aşağıda ifade edilen 1. ve 2. yönteme göre hesaplanmış olan değerlerdir. 7.9 ppm-kWh Dönüşüm Hesabı 7.9.1. 1.Yöntem Bu yöntemde silindir içine emilen yakıt debisine göre stokiyometrik yanma için gerekli hava miktarı hesaplanmıştır. Buna göre toplam hacimsel egzoz debisi bulunmuştur. Bu yöntemde hava fazlalık katsayısı (λ), havanın egzoz sıcaklığına bağlı yoğunluğu (ρth), yakıtın egzoz sıcaklığına bağlı yoğunluğu (ρty) göz önüne alınmıştır. Mh = My *λ*14,7 (7.8) Vhava= Mh/ρth (7.9) Vy= My/ρty (7.10) Vegz = Vhava+Vyakıt (7.11) mg/s= (ppm)mg/m3* m3/s (7.12) g/kWh = (mg/s) / kW/1000*3600 (7.13) Mh Havanın kütlesel debisi (mg/s) My Yakıtın kütlesel debisi (mg/s) Vegz Toplam hacimsel egzoz debisi (m3/s) Vhava Havanın hacimsel debisi (kg/s) Vy Yakıtın hacimsel debisi (kg/s) 137 ρth Havanın egzoz sıcaklığına bağlı yoğunluğu ρty Yakıtın egzoz sıcaklığına bağlı yoğunluğu λ Hava fazlalık katsayısı 7.9.2 2.Yöntem Bu yöntemde silindir strok hacmine göre ve stokiyometriye göre emilen hava miktarına göre hesaplanan yakıt miktarı göz önüne alınmıştır. Bu yöntemde λ, volümetrik verim (ηv,) havanın yoğunluğu (ρh )ve motor devir sayısı (n) göz önüne alınarak (7.14), (7.15), (7.16), (7.17), (7.18) ve (7.19) eşitlikleri hesaplanmıştır. Mh= (Vh/1000000)*(n/2)*ηv /ρhava/60 (7.14) My= Mhava/14,7/λ (7.15) Vh = (Mh*1000000)/ρh (7.16) Vy = (My*1000000)/ρy (7.17) mg/s= mg/m3* m3/s (7.18) g/kWh = (mg/s) / kW/1000*3600 (7.19) ρh 1,226 kg/m3 (Havanın yoğunluğu) ηv 0,77 (volümetrik verim 0,77 kabul edilmiştir.) Vh Strok hacmi (cm3); n Motor devri (d/d) 14,7 Stokiyometriye göre 1 kg yakıtın yanması için 14,7 kg hava gerekmektedir. 7.10 Bosch İs Sayısının g/kWh’e Dönüşümü Dönüşümü (kg/s) Bu dönüşüm için Christian vd. *164+ kullandıkları eşitlik (7.20) kullanılmıştır. İs (mg/m3) = 1 / 0, 405* 4,95.BİS * e0,38BİS (7.20) 138 BİS Bosch is sayısı 7.11 1 Enjektör Deliğinden Püskürtülen Yakıt Debisi Hesabı Simülasyon çalışmalarında enjektörün 1 deliğinden püskürtülen yakıt debisini hesaplamak için (7.21), (7.22), (7.23) ve (7.24) eşitlikleri hesaplanmıştır. 1 çevrimde silindire enjektörden püskürtülen yakıt miktarı (kg/s) = Güç * Özgül Yakıt Tüketimi 30 *1000 (7.21) *n Güç =kW; Özgül yakıt tüketimi =g/kWh; n=d/d 1 çevrimde enjektörden püskürtülen yakıt süresi (s) = Püskürtme süresi * 6 n * 3600 (7.22) Püskürtme süresi = oKMA 1 çevrimde enjektörden püskürtülen yakıt debisi (kg/s) = 1 çevrimde enjektörden püskürtülen yakıt miktarı 1 çevrimde enjektörden püskürtülen yakıt süresi (7.23) 1 çevrimde 1 enjektör deliğinden püskürtülen yakıt debisi (kg/s) = 1 çevrimde enjektörden püskürtülen yakıt debisi enjektör delik sayısı (7.24) Her devir için yukarıda ifade edilen hesaplar yapılarak simülasyon için gerekli veriler elde edilmiştir. Biodiesel ve Diesel için karşılaştırmalı performans ve emisyon değerleri sırayla Şekil 7.1, Şekil 7.2, Şekil 7.3, Şekil 7.4, Şekil 7.5, Şekil 7.6, Şekil 7.7, Şekil 7.8 ve Şekil 7.9’da verilmektedir. 139 Şekil 7.1 Diesel yakıtı ve biodiesel için farklı hızlarda güç değerleri Şekil 7.2 Diesel yakıtı ve biodiesel için farklı hızlarda tork değerleri Motor torku incelendiğinde hem Diesel yakıtı hem de biodiesel kullanılması durumunda maksimum tork değeri her ikisi için de 1800 d/d’da elde edilmiş olup 3000–2400 d/d arasında Diesel yakıtı kullanıldığında motor gücü ve torku biodieselden daha yüksek çıkmıştır. Maksimum %5 fark gözlenmiştir. 2400–1600 d/d aralığında ise biodiesel kullanmak ile güç ve torkta bir miktar düşüş gözlenmiştir. Ancak belirsizlik değeri de göz önüne alındığında bu düşüş hata bandı arasına girebilmektedir. 140 Şekil 7.3 Diesel yakıtı ve biodiesel için farklı hızlarda özgül yakıt tüketim değerleri Deney sonuçları incelendiğinde ölçüm yapılan tüm hızlarda biodiesel kullanıldığında özgül yakıt tüketiminin Diesel yakıtından daha yüksek olduğu görülmüştür. Yakıt analiz sonucunda ise Diesel yakıtının alt ısıl değerinin 42,86 kJ/g, biodieselin alt ısıl değerinin ise 38,81 kJ/g olduğu belirlenmiştir. Literatürde yapılmış olan çalışmalar incelendiğinde ise biodieselin alt ısıl değerinin Diesel yakıtından daha düşük olduğu görülmüştür. Biodieselin alt ısıl değeri daha düşük olduğundan dolayı özgül yakıt tüketimi de daha yüksek olmuştur. Karaosmanoğlu vd. *79+, ayçiçeği yağını, tek silindirli, DP pancar Diesel motorda 1600 d/d’da kısmi yükte 50 saat test süresince direkt olarak kullanmışlardır. Deneyler sonucunda ayçiçeği yağının performans ve emisyon değerleri konvansiyonel Diesel yakıtı ile karşılaştırılmıştır. Performans açısından incelediklerinde ayçiçeği yağı kullanımı ile motor gücü azalırken, özgül yakıt tüketiminde artış olduğunu gözlenmiştir. Enjektörü incelendiklerinde enjektör üzerinde bir karbon tabakasına rastlamamışlardır. Egzoz emisyonları açısından incelediklerinde, CO, CO2, NO, NOx ve HC emisyonlarında artış olurken sadece is emisyonunda bir azalma olduğunu ifade etmişlerdir. Emisyonlardaki artışı, yağın viskozitesinin çok yüksek olmasından dolayı yeterli oranda atomizasyon sağlanamaması şeklinde yorumlamışlardır. HC emisyonunun %60–70 oranında artış göstermesini, ayçiçeği yağının setan sayısının Diesel yakıtına göre düşük olmasına bağlayarak, tam yanma gerçekleşemediğini ifade etmişlerdir. 141 İlkılıç *165+, yaptığı çalışmada ayçiçeği yağından üretilmiş biodieselin motor performans ve egzoz emisyonu üzerine etkilerini belirlemek için tek silindirli 4 stroklu, DP 6 LD 400 Lombardini model Diesel motorda deney yapmıştır. Deney sonuçları Diesel yakıtı sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Deney sonuçlarına göre B100 kullanıldığında CO, CO2 ve NOx emisyonlarında sırayla %30, %26 ve %25 azalma gözlenmiştir. Motor güç ve tork değerlerinde ise Diesel yakıtına göre az miktarda azalma olduğu vurgulanmıştır. Tüm püskürtme basınç değerlerinde ise biodieselin alt ısıl değeri daha düşük olduğundan özgül yakıt tüketimin arttığı ifade edilmiştir. Biodieselin Diesel motorlarda kullanılabileceği vurgulanmıştır. Şekil 7.4 Diesel yakıtı ve biodiesel için farklı hızlarda egzoz sıcaklık değerleri Şekil 7.5 Diesel yakıtı ve biodiesel için farklı hızlarda CO emisyon değerleri 142 Şekil 7.6 Diesel yakıtı ve biodiesel için farklı hızlarda CO2 emisyon değerleri Şekil 7.7 Diesel yakıtı ve biodiesel için farklı hızlarda NO emisyon değerleri Şekil 7.8 Diesel yakıtı ve biodiesel için farklı hızlarda is emisyon değerleri 143 Şekil 7.9 Diesel yakıtı ve biodiesel için farklı hızlarda egzoz gazlarındaki O2 CO2 ve NO emisyonları incelendiğinde biodiesel emisyon değerleri daha yüksek çıkmıştır. Bu durum konuya ilişkin literatür bulguları ile örtüşmektedir. Biodieselin oksijen içeriği daha yüksek olduğundan O2 yüksek çıkmaktadır. Oksijen ilave olarak setan sayısının da yüksek olması sebebi ile yanma iyileşmekte yüksek sıcaklıklar elde edilerek egzoz sıcaklıları ve yüksek sıcaklığa bağlı NO emisyonları da yüksek çıkmıştır. Çelikten ve Arslan [166], yaptıkları çalışmada kanola yağı metil esteri (KYME) ve soya yağı metil esterlerinin (SYME) motor performans ve emisyon değişimlerine etkilerini incelemişlerdir. Çalışmalarında 4 zamanlı ve 4 silindirli Steyr marka DP Diesel motoru kullanmışlardır. Motorun 1600 d/d’daki Diesel yakıtı, KYME ve SYME sıralamasındaki performans değişimleri sırasıyla incelendiğinde, maksimum tork değeri Diesel yakıtına göre; KYME’nde %4,7, SYME’nde %8,4 kadar azaldığı gözlenmiştir. Motor güç değişimleri Diesel yakıtına göre; SYME’nde %9,7 ve KYME’nde ise %11,8 oranında azalmıştır. Özgül yakıt tüketimleri ise Diesel yakıtına göre; KYME’nde %10,1 ve SYME’nde ise %17,5 oranında arttığı gözlenmiştir. Aynı yakıtların aynı moment devrinde emisyon değişimlerinden % duman koyulukları Diesel yakıtına göre; KYME’nde %25, SYME’nde ise %37 kadar azalmıştır. CO emisyonları Diesel yakıtına göre azalma oranı KYME’nde %27, SYME’nde %39 oranında tespit edilmiştir. NOx emisyonları da Diesel yakıtına göre KYME’nde %22, SYME’nde %33 oranında artışlar tespit edilmiştir. SYME ve KYME ısıl değerler bakımından Diesel yakıtından kısmen düşüktür. Bu farkın temel sebepleri düşük ısıl değer, yüksek viskozite ve yoğunluk 144 olduğu ifade edilmiştir. Bu nedenle viskozitenin düşürülmesi için esterleşme reaksiyonlarında iyileştirme veya esterlere çeşitli kimyasal katıkların eklenerek kullanılabileceği vurgulanmıştır. Bayrakçeken vd. [167] yaptıkları çalışmada tek silindirli DP 6 LD 400 model hava soğutmalı bir motorda SYME’nin motor performans ve emisyon üzerine etkilerini incelemişlerdir. Deney sonuçlarına göre biodiesel kullanımı ile maksimum motor torku ve gücünde Diesel yakıtına göre sırası ile %2,3 ve %3,8’lik azalma, ortalama motor momenti ve gücünde sırası ile %4,2 ve %3’lük bir azalma gözlenmiştir. Motor torku ve gücündeki azalmanın biodieselin ısıl değerinin düşük olmasından kaynaklandığı şeklinde ifade edilmiştir. Biodieselin özgül yakıt tüketiminde ise %12,8’lik bir artış gözlenmiştir. Biodiesel kullanımı ile CO, HC ve NOx emisyonlarında sırası ile ortalama olarak Diesel yakıtına göre %4,1, 4,47 ve 9,23 artarken, duman emisyonlarında %19,5’lik bir azalma gözlenmiştir. Maksimum güç devrinde ise biodieselin CO emisyon değeri Diesel yakıtına göre %16,7 daha az olduğu gözlenmiştir. FEV Motor Teknoloji [168] tarafından yapılan çalışmada 13-mode US Heavy-Duty test çevrimi uygulanarak 7,3 lt Navistar motoru kullanılarak farklı karışım oranlarında soya yağı biodieseli kullanılmıştır. Artan biodiesel oranı ile NOx emisyonlarında artış gözlemlenmiştir. Saf biodiesel kullanıldığında %8 artış olmuştur. 145 BÖLÜM 8 DENEY VE SİMÜLASYON SONUÇLARININ KARŞILAŞTIRILMASI Simülasyon çalışmasında öncelikle her devir için deneyde elde edilmiş güç değerlerinin eşitlenmesi amaçlanmıştır. Emisyon değerleri birim enerji başına (g/kWh) karşılaştırıldığından püskürtme avansı, püskürtme süresi, püskürtme miktarı ve enjektörün her bir deliğinden püskürtülen damlacık sayısı parametreleri değiştirilerek her devir için deneylerde elde edilen güç değerine yaklaşılmaya çalışılmıştır. Simülasyon çalışmasına Anadolu Motordan Diesel yakıtı için 3000 d/d’da püskürtme avansının 14o KMA ve püskürtme süresinin 17o KMA ve silindir içi maksimum basıncın 72 bar olduğu verileri elde edildiğinden Diesel yakıtı (hepta metil nonan) ile bu hızda çalışmaya başlanmıştır. Motor test gücü ile simülasyonda elde edilen gücün eşitlenmesi ile bu motor hızında püskürtme avansı, püskürtme süresi, damlacık sayısı vb. çalışma parametleleri belirlenmiştir. Çalışmanın devamında diğer hızlar ve biodiesel için aynı çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Simülasyon çalışmasında egzoz gazı hesapları egzoz supabı açıldığında yani 540o KMA’da (900o KMA) yapılmıştır. Simülasyon çalışmasında elde edilen güç ve emisyon değerleri Çizelge 8.1’de verilmektedir. 146 Çizelge 8.1 Simülasyon çalışmasında elde edilen güç ve emisyon değerleri 8.1 3000 d/d için Performans ve Emisyon Sonuçları Anadolu Motor’dan elde edilmiş verilere göre 3000 d/d’da Diesel yakıtı için püskürtme avansı 14o KMA olup püskürtme süre 17o KMA’dır. Maksimum silindir içi basıncı ise 72 bar’dır. 3000 d/d için Diesel yakıtı ile deneysel çalışmada püskürtme avansı, motor gücü ve maksimum silindir içi basıncı değerleri bilindiğinden simülasyon çalışmasına bu devirde ve Diesel yakıtı ile başlanmıştır. Ancak deneysel veriler kullanılarak simülasyona başlandığında 3000 d/d için maksimum silindir içi basıncı ve değerlerine ulaşılamamıştır. Bu nedenle Diesel yakıtı ve biodiesel için çalışma şartları değiştirilmiş ve 3000 d/d-2400 d/d simülasyon güç değeri, deneysel çalışmaya yaklaştırılarak birim enerji başına emisyonlar karşılaştırılırmıştır. Sonuçlar Çizelge 8.2’de verilmektedir. 147 Çizelge 8.2 3000 d/dk’da motorun deney ve simülasyon çalışma şartları ile performans ve emisyon değerleri Simülasyon Püskürtme Süresi (o KMA) Püskürtme Avansı (o KMA) Deney ve Simülasyon Püskürtme Miktarı (kg/s) (1 enjektör deliğinden) Simülasyon Damlacık Sayısı Motor gücü (kW) Deney Simülasyon Fark CO2 emisyonu (g/kWh) Deney Simülasyon Fark CO emisyonu (g/kWh) Deney Simülasyon Fark NO emisyonu (g/kWh) Deney Simülasyon Fark O2 (g/kWh) Deney Simülasyon Fark İs emisyonu (g/kWh) Deney Simülasyon Maksimum basınç (bar)@o KMA Egzoz sıcaklıkları, oK Deney Simülasyon Fark Diesel Yakıtı Biodiesel Bağıl Belirsizlik Oranı 14 13 14 14 0,00714 0,0073 75000 45000 7,85 8,01 %2 ± 0,1 7,33 7,7 %5 ± 0,1 863,98 842,33 Hata bandı arasında 862,42 841,56 Hata bandı arasında Diesel yakıtı : ±% 4,13 Biodiesel : ±%4,18 3,47 3,75 %8±4,6 3,10 2,99 Hata bandı arasında Diesel yakıtı : ±% 4,12 Biodiesel : ±% 4,07 9,18 1,80 %80±0,9 9,97 3,65 %63,4±1,6 Diesel yakıtı : ±% 4,20 Biodiesel : ±%4,09 444,78 907,58 %104,1±1,6 547,59 1075,32 %96,41±8,5 0,139 243,57 0,31 407,21 69,61 @366.9 69,15 @366,4 653 1063 %62,8 ± 3,2 763 1014 %62,9 ± 1,8 ± %0,05 Diesel yakıtı : ±% 4,10 Biodiesel : ±%4,14 ± 0,01 ±%2 Biodieselin simülasyon sonuçları incelendiğinde NO emisyonları deneysel çalışmaya göre %63,4±1,6 daha düşük çıkmıştır. CO2 ve CO emisyonları hata bandı arasında olup O2 değeri ise %96,41±8,5 daha yüksek çıkmıştır. İs emisyonları deneysel çalışmaya göre çok yüksek çıkmıştır. Egzoz sıcaklıkları ise simülasyon çalışmasında %62,9±1,8 daha 148 yüksek çıkmıştır. Diesel yakıtının simülasyon sonuçları incelendiğinde ise CO2 emisyonları deneysel çalışmaya göre hata bandı arasında olup CO, NO emisyonları deneysel çalışmaya sırayla %8±4,6 ve %80±0,9 daha düşük çıkmıştır. O2 değeri ise %104,1 ± 1,6 daha yüksek çıkmıştır. İs emisyonları deneysel çalışmaya göre çok yüksek çıkmıştır. Egzoz sıcaklıkları ise simülasyon çalışmasında (Şekil 8.1) %62,8 ± 3,2 daha yüksek çıkmıştır. Şekil 8.1 3000 d/d’da Biodiesel ve Diesel yakıtları için silindir içi sıcaklıklar Biodieselin güç değeri deneysel çalışmaya göre %5±0,1, Diesel yakıtının ise %2±0,1 daha yüksek çıkmıştır. Şekil 8.2’de görüldüğü gibi Diesel yakıtında maksimum basınç 366,9o KMA’da 69,61 bar, biodieselde ise maksimum basınç 366,4o KMA’da 69,15 bar çıkmıştır. Biodiesel ve Diesel yakıtları için maksimum basınçlar aynı ve yaklaşık aynı yerde çıkmıştır. Güç değerleri incelendiğinde ise biodiesel ve Diesel yakıtları için deney ve simülasyon değerleri birbirine çok yakın çıkmıştır, NO ve is simülasyon emisyonları ise sonuçları deneysel çalışma ile uyuşmamaktadır. 149 Şekil 8.2 3000 d/d’da Biodiesel ve Diesel yakıtlarının yanma basınç diyagramı Colin ve Benkenida [162], yaptıkları çalışmada 4 supablı 4 stroklu DP motorda ECFM-3Z ve genişletilmiş karakteristik zaman modeli (ECTM) yanma modelleri kullanmışlardır. Her 2 model 2 farklı çalışma koşulu için gerçek deney sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Simülasyonlar IFP tarafından geliştirilmiş IFP-C3D paralel kodunda yapılmıştır. Çalışma koşulları Çizelge 8.3’de verilmektedir. Çizelge 8.3 Çalışma şartları Çalışma Şartı A B Hız 1640 4000 Yük Püskürtmenin başlangıç zamanı Püskürtme süresi Püskürtme miktarı Y/H eşdeğerlik oranı EGR oranı (%) Başlangıç girdap sayısı kısmi 6. tam 15,1 8,03 0,0144 0,67 31 2,8 37,6 0,0428 0,7 0 1,4 ECFM3Z ve ECTM ile elde edilen basınç eğrileri ve toplam yanan kütle oranları yapılmış olan gerçek deneyler ile karşılaştırılmıştır. B çalışma şartı için her 2 model uygun anda yanmayı gerçekleştirmiştir. ECFM-3Z A çalışma şartı için doğru zamanda yanmayı gerçekleştirmiş olup ECTM aynı çalışma şartı için daha erken yanmayı başlatmıştır. Bu sonuç, ECFM-3Z’de tablolanmış kimyaya dayalı kendi kendine tutuşma modelinin A çalışma şartı için ECTM modeli ile yanma gerçek deney sonucundan 3,5 KMA daha erken başlamasına karşın ECFM-3Z ile zamanında basınç artışı başlamıştır. Her 2 yanma 150 modelinde maksimum basınçlar aynı olmasına karşın genişleme strokunda ECTM ile aynı basınç elde edilememiştir. Bu durum ECFM-3Z de toplam yanan kütle oranının ECFM3Z de aynı olmasına karşın ECTM’de 0,6 olduğunu da göstermektedir. B çalışma şartı için 2 modelde yanma olmuş ve maksimum basınçlar aynı çıkmıştır. Ancak ECFM3Z modelde yine toplam yanan yakıt miktarı da gerçek deney ile aynı elde edilmiştir. Yapılan bu çalışmada ECFM-3Z modeli için maksimum silindir içi basıncının ve yanma başlangıcının gerçek deney sonuçları ile örtüştüğü ifade edilmiştir. 8.2 2800 d/d için Performans ve Emisyon Sonuçları 2800 d/d için Diesel yakıtı ve biodiesel için simulasyon sonuçları Çizelge 8.4’de verilmektedir. Çizelge 8.4 2800 d/dk’da motorun deney ve simülasyon çalışma şartları ile performans ve emisyon değerleri Simülasyon Püskürtme süresi (o KMA) Püskürtme avansı (o KMA) Deney ve Simülasyon Püskürtme miktarı (kg/s) (1 enjektör deliğinden) Simülasyon Püskürtme başlangıcı (o KMA) Yanma başlangıcı (o KMA) Simülasyon TG süresi (s) Simülasyon Damlacık sayısı Motor gücü (kW) Deney Simülasyon Fark CO2 emisyonu (g/kWh) Deney Simülasyon Fark CO emisyonu Deney Simülasyon Fark Diesel Yakıtı Biodiesel 15 12 15 13 0,00625 0,00666 348,20 351,50 347,30 352,80 185-03 347E-03 60000 40000 7,42 7,66 %3,2 ± 0,1 7,16 7,36 %2,8 ± 0,1 862,62 854,50 Hata bandı arasında 845,09 972,33 %15,05 ± 5,0 3,93 4,04 %2,08 ± 4,4 3,26 1,12 %65,6± 1,5 151 Bağıl Belirsizlik Oranı ± %0,05 Diesel yakıtı : ±%4,20 Biodiesel: ±%4,18 Diesel yakıtı : ±% 4,10 Biodiesel : ±% 4,17 NO emisyonu (g/kWh) Deney Simülasyon Fark 10,17 2,28 %77,6 ± 1,0 10,21 2,96 %71 ± 1,2 Diesel yakıtı: ±%4,10 Biodiesel : ±%4,09 O2 (g/kWh) Deney Simülasyon Fark 431,62 847,38 %96,3 ± 8,4 504,03 1093,87 %117 ± 9,4 Diesel yakıtı: ±%4,11 Biodiesel : ±%4,14 0,154 333,25 69,41 @727,2 0,549 283,10 69,95 @727,5 624 1116 %78,8 ± 3,6 776 1030 %32,7 ± 2,7 İs emisyonu (g/kWh) Deney Simülasyon Maksimum basınç (bar) @o KMA Egzoz sıcaklıkları, oK Deney Simülasyon Fark Biodieselin simülasyon sonuçları incelendiğinde CO ve ±0,01 ±%2 NO emisyonları deneysel çalışmaya göre sırayla, %65,6±1,5 ve %71±1,2 daha düşük çıkmıştır. CO2 emisyonları ve O2 değeri ise sırayla %15,05±5,0 ve %117±9,4 daha yüksek çıkmıştır. İs emisyonları deneysel çalışmaya göre çok yüksek çıkmıştır. Egzoz sıcaklıkları ise simülasyon çalışmasında %32,7 ± 2,7 daha yüksek çıkmıştır. Diesel yakıtın simülasyon sonuçları incelendiğinde ise CO2 emisyonları deneysel çalışmaya göre hata bandı arasında olup NO emisyonları %77,6 ± 1,0 daha düşük çıkmıştır. CO emisyonları ve O2 değeri ise sırayla ve %2,08 ± 4,4 ve %96,3 ± 8,4 daha yüksek çıkmıştır. İs emisyonları deneysel çalışmaya göre çok yüksek çıkmıştır. Egzoz sıcaklıkları ise simülasyon çalışmasında %78,8 ± 3,6 daha yüksek çıkmıştır (Şekil 8.3). 152 Şekil 8.3 2800 d/d’da Biodiesel ve Diesel yakıtları için silindir içi sıcaklıklar Şekil 8.4’e göre Biodieselin simülasyon çalışmasında güç değeri deneysel çalışmaya göre %2,8 ± 0,1, Diesel yakıtının ise %3,2 ± 0,1 daha yüksek çıkmıştır. Diesel yakıtında maksimum basınç 727,2o KMA’da 69.41bar, biodieselde ise maksimum basınç 727,5o KMA’da 69.95 bar çıkmıştır. Şekil 8.4 2800 d/d’da Biodiesel ve Diesel yakıtlarının yanma zamanına ait basınç diyagramı Biodiesel ve Diesel yakıtları için maksimum basınçlar aynı ve aynı yerde çıkmıştır. Güç değerleri incelendiğinde ise biodiesel ve Diesel yakıtları için deney ve simülasyon değerleri birbirine çok yakın çıkmıştır. 153 Şekil 8.5’den görüldüğü gibi biodieselin TG süresi daha uzun olduğundan ısı açığa çıkış hızı daha yüksek çıkmıştır. Şekil 8.5 2800 d/d’da Biodiesel ve Diesel yakıtları için silindir içi ısı açığa çıkış hızı Biodiesel ve Diesel yakıtları için maksimum basınçlar aynı ve yaklaşık aynı yerde çıkmıştır. Güç değerleri incelendiğinde ise biodiesel ve Diesel yakıtları için deney ve simülasyon değerleri birbirine çok yakın çıkmıştır, NO ve is simülasyon emisyonları ise sonuçları deneysel çalışma ile uyuşmamaktadır. 8.3 2600 d/d için Performans ve Emisyon Sonuçları Çizelge 8.5’de 2600 d/d’da Biodiesel ve Diesel yakıtları için simülasyon sonuçları verilmektedir. 154 Çizelge 8.5 2600 d/dk’da motorun deney ve simülasyon çalışma şartları ile performans ve emisyon değerleri Diesel Yakıtı Simülasyon Püskürtme süresi (o KMA) Püskürtme avansı (o KMA) Deney ve Simülasyon Püskürtme miktarı (kg/s) (1 enjektör deliğinden) Simülasyon Püskürtme başlangıcı (o KMA) Yanma başlangıcı (o KMA) Simülasyon TG süresi (s) Simülasyon Damlacık sayısı Motor gücü (kW) Deney Simülasyon % Fark CO2 emisyonu (g/kWh) Deney Simülasyon Fark CO emisyonu (g/kWh) Deney Simülasyon Fark NO emisyonu (g/kWh) Deney Simülasyon Fark O2 (g/kWh) Deney Simülasyon Fark İs emisyonu (g/kWh) Deney Simülasyon (g/kWh) Fark Maksimum basınç (bar) @o KMA Egzoz sıcaklıkları, oK Deney Simülasyon % Fark Biodiesel Bağıl Belirsizlik Oranı 16 11 16 12 0,00525 0,00592 349,20 352,40 348,20 353,30 192-03 321E-03 62000 39000 6,94 6,53 %5,9 6,75 6,64 %1,6 857,47 854,52 Hata bandı arasında 821,98 894,58 %8,8 ± 4,8 4,69 4,95 Hata bandı arasında 3,6 1,29 %64,2 ± 1,5 10,59 0,84 %92,2 ± 0,1 10,34 1,99 %80,8 ± 0,8 Diesel yakıtı: ±%4,09 Biodiesel : ±%4,08 427,75 1035,22 %142 ± 10,5 505,59 975,90 %93 ± 8,3 Diesel yakıtı: ±%4,10 Biodiesel : ±%4,13 0,21 217,46 0,65 411,14 64,25 @728,2 66,11 @728,4 655 1007 %53,7 ± 3 743 1071 %44,1 ± 2 155 ± %0,05 Diesel yakıtı: ±%4,20 Biodiesel : ±%4,19 Diesel yakıtı: ±%4,08 Biodiesel : ±%4,09 ± 0,01 ±%2 Biodieselin simülasyon sonuçları incelendiğinde CO ve NO emisyonları deneysel çalışmaya göre sırayla %64,2±1,5 ve %80,8±0,8 daha düşük çıkmıştır. CO2 emisyonları ve O2 değeri ise sırayla ve %8,8±4,8 ve %93 ± 8,3 daha yüksek çıkmıştır. İs emisyonları deneysel çalışmaya göre çok yüksek çıkmıştır. Egzoz sıcaklıkları ise simülasyon çalışmasında %44,1 ±2 daha yüksek çıkmıştır. Diesel yakıtın simülasyon sonuçları incelendiğinde ise CO2 ve CO emisyonları deneysel çalışmaya göre hata bandı arasında olup NO emisyonları %92,2±0,1 daha düşük çıkmıştır. O2 değeri ise %142±10,5 daha yüksek çıkmıştır. İs emisyonları deneysel çalışmaya göre çok yüksek çıkmıştır. Egzoz sıcaklıkları ise simülasyon çalışmasında %53,7 ± 3 daha yüksek çıkmıştır (Şekil 8.6). Şekil 8.6 2600 d/d’da Biodiesel ve Diesel yakıtları için silindir içi sıcaklıklar Biodieselin simülasyon çalışmasında güç değeri deneysel çalışmaya göre %1,6, Diesel yakıtının ise %5,9 ± 0.0 daha yüksek çıkmıştır. Diesel yakıtında maksimum basınç 728,2o KMA’da 64,25 bar, biodieselde ise maksimum basınç 728,4s KMA’da 66,11 bar çıkmıştır (Şekil 8.7). Biodiesel ve Diesel yakıtları için maksimum basınçlar aynı olup aynı yerde çıkmıştır. Güç değerleri incelendiğinde ise biodiesel ve Diesel yakıtları için deney ve simülasyon değerleri birbirine çok yakın çıkmıştır. 156 Şekil 8.7 2600 d/d’da Biodiesel ve Diesel yakıtlarının yanma zamanına ait basınç diyagramı 8.8’den görüldüğü gibi Biodieselin TG süresi Diesel yakıtından daha yüksek olduğu için ısı açığa çıkış hızı daha yüksek çıkmıştır. Şekil 8.8 2600 d/d’da Biodiesel ve Diesel yakıtları için silindir içi ısı açığa çıkış hızı Biodiesel ve Diesel yakıtları için maksimum basınçlar aynı ve yaklaşık aynı yerde çıkmıştır. Güç değerleri incelendiğinde ise biodiesel ve Diesel yakıtları için deney ve 157 simülasyon değerleri birbirine çok yakın çıkmıştır, NO ve is simülasyon emisyonları ise sonuçları deneysel çalışma ile uyuşmamaktadır. Yuan [169], yaptığı çalışmada KIVA-3V programında Diesel yakıtı (D2), soya metil esteri, yellow Grease metil esteri ve genetiği modifiye edilmiş soya metil esteri kullanarak simülasyon çalışması yapmıştır. John Dere 4045 T motoruna ait deneysel silindir basıncı, ısı açığa çıkış hızı ve NOx emisyon sonuçlarını simülasyon sonuçları ile karşılaştırmıştır. Damlacık parçalanması için Kelvin-Helmholtz Rayleight-Taylor modelini, Shell kendi kendine tutuşma modelini, tek basamaklı kinetik yanma modelini ve NOx Zeldovich mekanizmasını kullanmıştır. Biodiesel ve Diesel yakıtları için özellikle maksimum basınç bölgesinde basınç ve ısı açığa çıkış hızlarının simülasyon ve deney değerlerinin birbirine yakın olduğunu ifade etmiştir. Soya yağı metil esterinde D2’ye göre daha yüksek sıcaklıklar ve daha yüksek NOx emisyonları çıkmıştır. Ayrıca Biodiesel daha yavaş ön karışımlı yanma ve daha hızlı difüzyon yanmasına uğramıştır. Silindir içi sıcaklıkları yüksek olduğundan püskürtme daha erken başlamıştır. 8.4 2400 d/d için Performans ve Emisyon Sonuçları Çizelge 8.6’da 2400 d/d’da Biodiesel ve Diesel yakıtları için simülasyon sonuçları verilmektedir. Çizelge 8.6 2400 d/dk’da motorun deney ve simülasyon çalışma şartları ile performans ve emisyon değerleri Simülasyon Püskürtme süresi (o KMA) Püskürtme avansı (o KMA) Simülasyon Püskürtme miktarı (kg/s) (1 enjektör deliğinden) Simülasyon Püskürtme başlangıcı ( o KMA) Yanma başlangıcı ( o KMA) Simülasyon TG süresi (s) Simülasyon Damlacık sayısı Motor gücü (kW) Deney Diesel Yakıtı Biodiesel 17 10 17 11 0,0046 0,00535 350,20 353,40 222E-03 349,30 355,30 415E-03 68000 35000 6,45 6,45 158 Bağıl Belirsizlik Oranı Simülasyon % Fark CO2 emisyonu (g/kWh) Deney Simülasyon Fark CO emisyonu (g/kWh) Deney Simülasyon Fark NO emisyonu (g/kWh) Deney Simülasyon Fark O2 (g/kWh) Deney Simülasyon Fark İs emisyonu (g/kWh) Deney Simülasyon Maksimum basınç (bar) @o KMA Egzoz sıcaklıkları, oK Deney Simülasyon Fark 6,06 %6 6,37 %1,2 837,36 886,52 Hata bandı arasında 817,98 889,75 Hata bandı arasında 6,40 6,03 Hata bandı arasında 4,5 1,90 %57,8 ± 1,8 10,66 0,85 %92 10,48 1,64 %84,4 ± 0,7 Diesel yakıtı: ±%4,08 Biodiesel: ±%4,08 435,8 977,91 %129 ± 9,9 464,49 936,12 %101 ± 8,6 Diesel yakıtı: ±%4,13 Biodiesel : ±%4,11 0,13 231,53 57,58 @730,4 0,104 512,98 63,32 @729,6 ± 0,01 623 1141 %83,1 ± 3,6 747 1112 %48,9 ± 2,1 ± %0,05 Diesel yakıtı: ±%4,19 Biodiesel : ±%4,19 Diesel yakıtı: ±%4,09 Biodiesel : ±%4,17 ±%2 Biodieselin simülasyon sonuçları incelendiğinde CO2 emisyonları deneysel çalışmaya göre hata bandı arasında olup CO ve NO emisyonları sırayla %57,8 ± 1,8 ve %84,4 ± 0,7 daha düşük çıkmıştır. O2 değeri %101±8,6 daha yüksek çıkmıştır. İs emisyonları deneysel çalışmaya göre çok yüksek çıkmıştır. Egzoz sıcaklıkları ise simülasyon çalışmasında %48,9 ± 2,1 daha yüksek çıkmıştır. Diesel yakıtın simülasyon sonuçları incelendiğinde ise CO2 ve CO emisyonları deneysel çalışmaya göre hata bandı arasında olup NO emisyonları %92 daha düşük, O2 değeri ise %129 ± 9,9 daha yüksek çıkmıştır. İs emisyonları deneysel çalışmaya göre çok yüksek çıkmıştır. Egzoz sıcaklıkları ise simülasyon çalışmasında %83,1 ± 3,6 daha yüksek çıkmıştır (Şekil 8.9). 159 Şekil 8.9 2400 d/d’da Biodiesel ve Diesel yakıtları için silindir içi sıcaklıklar Biodieselin simülasyon çalışmasında güç değeri deneysel çalışmaya göre %1,2, Diesel yakıtının ise %6 daha yüksek çıkmıştır. Diesel yakıtında simülasyon çalışmasında maksimum basınç 730,4o KMA’ da 57,58 bar, biodieselde ise maksimum basınç 729,6o KMA’ da 63,32 bar çıkmıştır (Şekil 8.10). Biodieselin maksimum basınca daha erken ulaşmış olup daha yüksek çıkmıştır. Güç değerleri incelendiğinde ise biodiesel ve Diesel yakıtları için deney ve simülasyon değerleri birbirine çok yakın çıkmıştır. Şekil 8.10 2400 d/d’da Biodiesel ve Diesel yakıtları için silindir içi indikatör diyagramı Şekil 8.11’den görüldüğü gibi biodieselin TG süresi daha uzun olduğundan ısı açığa çıkış hızı daha yüksek çıkmıştır. 160 Şekil 8.11 2400 d/d’da Biodiesel ve Diesel yakıtları için silindir içi ısı açığa çıkış hızı Biodiesel ve Diesel yakıtları için maksimum basınçlar aynı ve yaklaşık aynı yerde çıkmıştır. Güç değerleri incelendiğinde ise biodiesel ve Diesel yakıtları için deney ve simülasyon değerleri birbirine çok yakın çıkmıştır, NO ve is simülasyon emisyonları ise sonuçları deneysel çalışma ile uyuşmamaktadır. Kawano vd. [170], kanola yağı metil esterini 4 silindirli, 4 stroklu Diesel motorunda kullanmışlardır. Yaptıkları çalışmada biodieselin 13 noktada yapılan ECE R49 motor performans ve egzoz emisyon değerleri Diesel yakıtı ile karşılaştırmıştır. Deney sonuçlarına göre biodiesel kullanıldığında aynı püskürtme zamanında biodieselin daha yüksek NOx oluştuğunu ifade etmişlerdir. Bununla birlikte düşük yüklerde daha fazla SOF ve PM oluşturduğunu, HC emisyonlarının belirli devir aralığında daha yüksek, CO emisyonlarının ise daha düşük çıktığını açıklamışlardır. Lapuerta vd. [171], Biodiesel ve karışımlarının motor performans ve emisyonlar üzerine etkilerini belirlemek amacıyla literatürde yapılmış çalışmalardan derleme yapmışlardır. Bu çalışmada çeşitli araştırmacıların yaptıkları çalışmalar karşılaştırılmıştır. Bu derlemede motor güç ve tork değerleri bazı çalışmalarda azaldığı, bazı çalışmalarda değişmediği, az bir çalışmada ise arttığı ifade edilmiştir. Motor güç ve tork değerinde azalma sebebi biodieselin alt ısıl değerinin dizere göre daha düşük olduğu (hacimsel olarak %9 civarında) şeklinde ifade edilmiştir. Diesel yakıtı ile aynı performans elde 161 edebilmek için daha fazla yakıtın tüketilmesi gerektiği bu nedenle yakıt tüketiminde artma olduğu ifade edilmiştir. Motor performans değerlerinin motor tipine, yükleme, devir şartına, karışım oranlarına ve biodiesel hammaddesine göre değiştiği vurgulanmıştır. Bununla birlikte özellikle tam yükte Biodieselin yağlama özelliğinden dolayı sürtünme kayıplarının azaldığı, bulk modulüs değerinin, setan sayısının ve viskozite değerinin yüksek olmasından dolayı püskürtme ve yanmanın daha erken başladığı ve bunların güce olumlu yönde etki ettiği ifade edilmiştir. Bu çalışmada maksimum güç istenmediği sürece biodieselde güç kaybının ciddi oranda olmadığı ifade edilmiştir. Alt ısıl değerden olan güç kayıplarının sürtünme kayıplarındaki azalma yanmanın erken başlamasıyla geri kazanıldığı vurgulanmıştır. NOx emisyonları değerlendirildiğinde yine aynı şekilde çoğu çalışmalarda artma, bazı çalışmalarda motor tipine ve çalışma şartlarında göre artma olduğu, bazı çalışmalarda değişme olmadığı, az bir çalışmada ise azaldığı ifade edilmiştir. NOx emisyonlarında artma sebebi olarak yakıtın viskozitesinin, yoğunluğunun, bulk modülüs değerinin, sıkıştırılabilirliğinin, ses hızının, setan sayısının ve oksijen içeriğinin yüksek olmasından dolayı püskürtme ve yanmanın daha erken başlaması, dolayısı ile silindir içi daha yüksek sıcaklıklara ulaşıldığı ifade edilmiştir. Bazı çalışmalarda aynı biodiesel karışım oranı için farklı motor tiplerinde hem artma hem azalma olduğu ifade edilmiştir. Yine bazı çalışmalarda aynı motorda farklı hızlarda hem artma hem de azalma olduğu ifade edilmiştir. Bazı araştırmacıların ise setan sayısının yüksek olmasından dolayı ön karışımlı yanmada daha az yakıtın yanacağından silindir içi sıcaklıkların azalmasıyla NOx emisyonlarında azalma olacağını ifade ettiği açıklanmıştır. PM ve is emisyonlarını değerlendirildiğinde yine aynı şekilde çoğu çalışmalarda azalma, bazı çalışmalarda değişme olmadığı, az bir çalışmada ise arttığı ifade edilmiştir. Yapılan derlemede PM ve is emisyonlarının azalmasına sebep olarak biodieselin oksijen içeriğinin yüksek olması, yanmanın daha erken başlaması ile daha iyi yanmanın olması, Biodieselde aromatik içeriğin olmaması ve kükürt içeriğinin çok az olması olarak ifade edildiği vurgulanmıştır. HC emisyon değerlerine bakıldığında birçok araştırmacının HC emisyon değerlerinin düştüğünü ifade ettiği vurgulanmıştır. EPA çalışmalarında konvansiyonel Diesel yakıtına göre %70 kadar düştüğü ifade edilmiştir. Bununla birlikte 162 az sayıda araştırmacının bir değişiklik olmadığını ve arttığını ifade ettiklerini vurgulamışlardır. HC emisyonlarının artışına sebepler olarak yakıtın oksijen içeriğinin ve setan sayısının yüksek olması, TGnin daha kısa ve yanmanın daha erken başlamasıyla yanmanın daha iyi olması gösterilmiştir. CO emisyonları da HC emisyonları ile benzerlik göstermiştir. 163 SONUÇ ve ÖNERİLER Bu çalışmanın temel amacı, hava kirliliğine ve iklim değişikliğine neden olan sera gazı emisyon değerlerinin azaltılması ve enerji güvenliğinin sağlanması amacı ile araç motor modifikasyonlarına ek olarak çözüm getirilen Biodieselin Diesel motorda performans ve emisyon değerleri açısından modellenmesidir. Diesel motorlarda emisyon değerlerinin iyileştirilebilmesi için öncelikli olarak silindir içi yanmanın iyileştirilmesi gerekmektedir. Diesel motorlarında yanmanın iyileştirilebilmesi doğrudan karışımın teşkili ile ilgilidir. Karışımın teşkilinin iyi olması için, yakıtın parçalanarak zerrelere ayrılması, silindirdeki hava ile iyi bir yanma sağlayacak şekilde makro ve mikro karışımın sağlanması gerekmektedir. Ayrıca, püskürtme süresi, püskürtme basıncı, püskürtmenin başlangıcı-bitişi ve damlacık sayısı gibi püskürtme sistemi parametreleri karışım oluşumunu, yanma prosesini ve dolayısı ile emisyonları etkilemektedir. Anadolu Motor Üretim ve Pazarlama A.Ş tarafından üretilen Antor marka 3 LD 510 model DP, hava soğutmalı ve tek silindirli Diesel motorda HAD yöntemi ile uygun yanma ve püskürtme modellerinin belirlenebilmesi için öncelikle Diesel ve Biodiesel yakıtları kullanılarak motor performans (güç, tork yakıt tüketimi) ve egzoz emisyon (CO, CO2, SO2, ve NO) ve O2 deneyleri gerçekleştirilmiştir. Performans deneyleri Kartal’da yer alan Anadolu Motor Üretim ve Pazarlama A.Ş. Fabrikası’nda yapılmıştır. Emisyon gazları ise TÜBİTAK MAM Çevre Enstitüsü ile birlikte Anadolu Motor’da yer alan deney düzeneğinde ölçülmüştür. Deneylerde kullanılan Biodiesel TÜBİTAK laboratuarlarında 164 transesterifikasyon yöntemi ile üretilmiş olup Biodiesel ve Diesel yakıt analizleri yine TÜBİTAK Enerji Enstitüsü’nde bulunan “Yakıt Analizleri Laboratuarında” sırayla TS EN14214 ve TS EN 590 standartlarına göre analiz edilmiştir. Yapılmış olan deneyler sonucunda biodieselin performansı Diesel yakıtından maksimum %5 daha düşük, özgül yakıt tüketimi daha yüksek çıkmıştır. Yanma verimi açısından incelendiğinde ise, NO ve CO2 emisyonları Diesel yakıtından daha yüksek çıkmıştır. CO emisyon değerleri özellikle düşük devirlerde daha düşük çıkmıştır. Biodiesel ve Diesel yakıtı için 2400–3000 d/d aralığı için nümerik analiz yapılmıştır. Nümerik simülasyonlar için STAR-CD/ ES-ICE isimli HAD programı kullanılmıştır. Modelleme çalışmasında Diesel ve Biodiesel yakıt tanımlaması için deneylerde kullanılan yakıtların gaz kromotografi analizi yapılmıştır. Ortalama kütle hesabına göre Diesel yakıtı olarak heptametilnonan, Biodiesel olarak metil oleat tanımlanmıştır. Modelleme çalışmasında türbülans modeli olarak k-ε RNG, çok fazlı akış modeli olarak Lagrange, atomizasyon modeli olarak Huh, duvar etkileşim modeli olarak Bai, parçalanma modeli olarak Reitz ve Diawaker, yanma modeli olarak ECFM-3Z, NOx emisyonu olarak Zeldovitch mekanizması ve is emisyonu için Mauss modelleri seçilmiştir. Yakıtların viskozite, setan sayısı ve yoğunluk değerleri analiz edilip simülasyonda gerçek sıvı değerleri girilmiştir. Simülasyon çalışmasında öncelikle her devir için deneyte elde edilmiş güç değerlerinin eşitlenmesi amaçlanmıştır. Emisyon değerleri birim enerji başına (g/kWh) karşılaştırıldığından püskürtme avansı, püskürtme süresi, püskürtme miktarı ve enjektörün her bir deliğinden püskürtülen damlacık sayısı parametreleri değiştirilerek her devir için deneylerde elde edilen güç değerine yaklaşılmaya çalışılmıştır. Damlacık sayısının azalması ile güç değerinde artma olduğu saptanmıştır. Damlacık sayısı çok fazla olduğunda ise yanma gerçekleşmemiştir. Bu nedenle her devirde optimum damlacık sayısı belirlenmiştir. Simülasyon çalışmasında enjektörün her bir deliğinden püskürtülen damlacık sayısı Diesel yakıtının yanmasından daha fazla olmuştur. Biodieselin yüksek viskozitesi ve yoğunluğu sebebi ile 3000 d/d da Diesel yakıtında 75000 püskürtülen damlacık sayısı Biodieselde 45000 olmuştur. Devir sayısı düştükçe bu değerler de düşmüştür. Püskürtme süreleri 3000 d/d’da her iki yakıt için 14oKMA seçilmiş ve devir sayısı düştükçe her iki yakıt için 1oKMA arttırılmıştır. 165 Püskürtme avansı ise 3000 d/d Diesel yakıtında için 13oKMA, Biodiesel için 14oKMA seçilmiştir. Devir sayısı düştükçe avans değeri 1oKMA azaltılmıştır. 3000 d/d-2400 d/d aralığında simülasyon sonuçları incelendiğinde Biodieselin setan sayısı 55,5, Diesel yakıtının 51,5 olmasına rağmen Biodieselin yüksek yoğunluğu ve viskozitesi sebebi ile Diesel yakıtının tutuşma gecikmesi süresi her devirde Biodieselden daha yüksek çıkmıştır. Bu nedenle Biodiesel yanmasında ön karışımlı yanma süresince silindirlere püskürtülen yakıt miktarı arttığından ısı açığa çıkış hızı da her devirde daha yüksek olmuştur. Bunlarla birlikte simülasyonda elde edilen güç değerleri gerçek deney sonuçlarına çok yakın çıkmıştır. 3000 d/d için Anadolu Motor’un ölçtüğü maksimum silindir içi Diesel yakıtı basıncı 72 bar iken simülasyonda 69,61 bar elde edilmiştir. 3000 d/d-2400 d/d aralığında belirsizlik değerleri de göz önüne alındığında biodieselde maksimum %5, Diesel yakıtında ise %5 fark bulunmaktadır. Bu değer kabul edilebilir sınırlar arasındadır. ECFM-3Z yanma modeli uygulandığında deney sonuçları ile uygun performans elde edilmiştir. Simülasyon çalışması, bu modelin motor performansı açısından uygun olduğunu göstermektedir. Ancak NOx ve is emisyon değerleri deneyler çalışma ile örtüşmemektedir. İs emisyonları gerçek sonuçlardan oldukça yüksek, NOx emisyonları ise literatürde bulunan reaksiyon hızları denenmiş olmasına rağmen düşük çıkmıştır. Bununla birlikte yine tüm devirlerde her iki yakıt için egzoz sıcaklıkları ve O2 değeri deneysel çalışmadan yüksek çıkmıştır.. Bu çalışmada biodiesel olarak metil oleat tanımlanmış olup, farklı yakıt tanımlamaları ile de yanmanın modellenmesi önerilmektedir. Bununla birlikte uygulanan model NOx ve is emisyon değerleri açısından uygun çıkmadığından NOx ve is emisyonları için farklı modellerin kullanılarak detaylı çalışma yapılması önerilmektedir. 166 KAYNAKLAR [1] IEA, (2004). Biofuels for Transport-An Internatioanal Perspective, http://www.biodieselspain.com/articulos/biofuels_transport_2004.pdf, 10 Ağustos 2011 [2] Çanakçı, M. ve Özsezen, A.N., (2004). “Diesel Motorları Yardımcı Ekipmanlarındaki Gelişmeler”, Mühendis ve Makina, 45(530):37-42. [3] Emission Standards, www.dieselnet.com, 30.03.2011. [4] Yavaşlıol, İ., (1988). İçten Yanmalı Motorlar, Yıldız Üniversitesi Yayınları, İstanbul. [5] Bauer, H., (1999). Diesel-Engine Managment, 2nd Edition, Robert Bosch Gmbh, Stuttgart. [6] Bauer, H., (1999), Diesel Accumulaor Fuel-Injection System, Technical Instruction, 4th Edition, Robert Bosch Gmbh, Stuttgart. [7] Heywood, JB., (1988). Internal Combustion Engine Fundamentals, McGrawHill, Newyork. [8] Graboski, M.S., McCormick, R.L., Alleman, T.L. ve Herring, A.M., (2003). The Effect of Biodiesel Composition on Engine Emissions from A DDC Series 60 Diesel Engine, NREL Final Report 2. [9] Kann, J., Rang, H. ve Kriis, J., (2002), “Advances in Biodiesel Fuel Research”, Proceedings of the Estonian Academy of Sciences: Chemistry, 51(2):75- 117. [10] Karaosmanoğlu, F., (1999). “Vegetable oil Fuels: A Review”, Energy Sources, 21(3):221-231. [11] Ma, F. ve Hanna, M. A., (1999). “Biodiesel Production: A Review”, Bioresource, 70:1-15. [12] Taşyürek, M. ve Acaroğlu, M., (2007). “Biyoyakıtlarda (biyomotorinde) Emisyon Azaltımı ve Küresel Isınmaya Etkisi”, International Global Climate Change and its environmental Impacts Conference, 18-20 October 2007, Konya. 167 [13] Soruşbay, C., Ergeneman, M., İmren, A. ve Çalık, A.T., (2008). Experimental and Numerical Air Flow and Spray Dynamics Investigation in Internal Combustion Engines, 104M355 nolu TÜBİTAK Projesi Raporu. [14] Açıkgöz, A., Gelişli, M.Ö. ve Öztürk, E., Otomotiv Endüstrisinde Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği, www.turkcadcam.net/rapor/otomotiv-HAD/index.html, 10 Ağustos 2010. [15] Uzol, N.S., (2009). “Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği ile Üç-Boyutlu Karmaşık Akış Problemlerinin Yüksek Başarımlı Hesaplamaları”, 1. Ulusal Yüksek Başarım ve Grid Konferansı, 15-18 Nisan 2009, Ankara. [16] Safgönül B., Ergeneman M., Arslan E. ve Soruşbay C., (1999). İçten Yanmalı Motorlar, Birsen Yayınları, İstanbul. [17] Majewski, W.A. ve Khair, M., (2006). Diesel Emissions and Their Control, SAE International. [18] Vervisch, L., Turbulent Combustion Modeling, http://wwwrocq.inria.fr/~kern/MoMaS/Journees/Momas1612/Exposes/Vervisch.pdf, 08 Eylül 2011 [19] Reitz, D. R., (2005). “Computational Fluid Dynamics Modeling of Diesel Engine Combustion and Emissions” Engine Research Center University of WisconsinMadison. [20] Soruşbay, C., “Ders Notları, İTÜ. [21] Sandalcı, T., “Ders Notları”, YTU. [22] Hsu., B.D., (2002). Practical Diesel Engine Combustion Analysis, SAE International. [23] Hill, S.C. ve Smoot, D. L., (2000). “Modeling of Nitrogen Oxides Formation and Destruction in Combustion Systems”, Progress in Energy and Combustion on Science, (26):417–458. [24] Warnatz, J., Mass, U. Ve Dibble, R.W., (2001). Combustion: Physical and Chemical Fundamentals, Modeling and Simulation, Experiments Pollutant Formation, 3rd Edition, Springer-Verlag Berlin, New York [25] Miller, A.J. ve Bowman, C.T., (1989). “Mechanism and Modeling of Nitrogen Chemistry in Combustion”, Progress in Energy and Combustion on Science, (15): 287-338. [26] Löffler, G., Siebera, R., Haraseka, M., Hofbauera, H., Haussb, R. ve Landaufb, J., (2006). “NOx Formation in Natural Gas Combustion—A New Simplified Reaction Scheme for CFD Calculations”, Fuel, (85): 513–523. [27] Priesching, P., Ramusch, G., Ruetz, J. ve Tatschl, R., (2007). “3D-CFD Modeling of Conventional and Alternative Diesel Combustion and Pollutant Formation – A Validation Study”, SAE 2007-01-1907. 168 [28] Schwerdt, C., (2006). Modelling NOx-Formation in Combustion Processes, Msc Thesis, Lund University, Department of Automatic Control. [29] Mehdiyev, R., Kutlar, A., Arslan, H. ve Çalık., A., (2003). İçten yanmalı Motorların Hesabı ve Geliştirilmesi, Yüksek Lisans ve Doktora Öğrencileri için Ders Notları, İTÜ, II Hisse. [30] Greeves, G., Khan, I. M. ve Wang , C.H.T., (1977). ‘’Origins of Hydrocarbon Emissions From Diesel Engines,’’ SAE 770259. [31] Greeves, G., (1979). ‘’Response of Diesel Combustion Systems to Increase of Fuel Injection Rate’’, SAE 790037. [32] Borat O., Balcı M. ve Sürmen A., (1995). İçten Yanmalı Motorlar, Teknik Eğitim Vakfı Yayınları, 1, Ankara. [33] Öz İ.H., Borat, O. ve Sürmen, A., (2003). İçten Yanmalı Motorlar, Birsen Yayınevi, İstanbul. [34] Haşimoğlu, C. ve İçingür, Y., (2009). “Diesel Motorlarında Azot Oksit Kontrol (NOx) Yöntemleri”, 5. Uluslar arası İleri Teknolojiler Sempozyumu, 13-15 Mayıs 2009, Karabük. [35] Andreews, G., (1995). NOx Formation and Control in Diesel Engines, A Short Course on Diesel Particulates and NOx Emissions, University of Leeds, 3-7 April 1995, Leeds. [36] İlkılıç, C., Behçet, R., Aydın, S., ve Aydın, H., (2009). ”Diesel Motorlarında Azot Oksitlerin Oluşumu ve Kontrol Yöntemleri”, 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS’09), 13-15 Mayıs 2009, Karabük. [37] Kegl, B., (2006). “Experimental Investigation of Optimal Timing of The Diesel Engine Injection Pump using Biodiesel”, Energy & Fuels, 20:1460-1470. [38] Stone, R., (1999). Introduction to Internal Combustion Engines, Macmillan Press Ltd., Houndsmills. [39] Aktaş, A. ve Sekmen, Y., (2007). “Biodiesel ile Çalışan bir Diesel Motorda Yakıt Püskürtme avansının Performans ve Egzoz Emisyonlarına Etkisi”, Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 23(1):199-206. [40] Pandian, M., Sivapirakasam, S.P. ve Udayakumar, M., (2009). “Influence of Injection Timing on Performance and Emission Characteristics of Naturally Aspirated Twin Cylinder CIDI Engine Using Bio-diesel Blend as Fuel”, International Journal of Recent Trends in Engineering, 1(5). [41] Leung, D.Y.C., Luo, Y. ve Chan, T.L., (2006). “Optimization of Exhaust Emissions of a Diesel Engine Fuelled with Biodiesel”, Energy & Fuels, 20:1015-1023. [42] Stockner, A.R., Flinn, M.A. ve Camplin, F.A. (1993). "A New Direction for Diesel Engine Fuel System", SAE 930270. 169 [43] Tanakaa, T., Andoa, A. ve Kazuyoshi Ishizakab, K., (2002). "Study on Pilot Injection of DI Diesel Engine Using Common-Rail Injection System", JSAE, 22:297-302. [44] Nehmer, D.A. ve Reitz, R.D., (1994). “Measurement of the Effect of InjectionRate and Split Injections on Diesel Engine Soot and NOx Emissions”, SAE 940668. [45] Pierpont, D.A., Montgomery, D.T. ve Reitz, R.D., (1995). "Reducing Particulate and NOx Using Multiple Injections and EGR in a D. I. Diesel" , SAE 950217. [46] Han, Z., Uludogan, A., Hampson, J.G. ve Reitz, R.D., (1996). “Mechanism of Soot and NOx Emission Reduction Using Multiple-injection in a Diesel Engine”, SAE 960633. [47] Kim, M.Y., Yoon, S.H. ve Lee, C.S., (2008). “Impact of Split Injection Strategy on the Exhaust Emissions and Soot Particulates from a Compression Ignition Engine Fueled with Neat Biodiesel”, Energy & Fuels, 22:1260–1265. [48] Ogawa, H., Miyamoto, N., Li, C. ve Sakai, A., (2000). ‘’ Improvements of Diesel Combustion and Emissions with Two-Stage Fuel Injection at Different Piston Positions’’ SAE 2000-01-1180. [49] İlkılıç, C., (2008). ”Bir Diesel Motorunda Enjeksiyon Basıncının Egzoz Emisyonlarına Etkisinin Araştırılması”, Fırat Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, 20(3):483-491. [50] Sekmen, Y., Çınar, C., Erduranlı, P. ve Boran E., (2004). “Diesel Motorlarda Enjeksiyon Basıncı ve Maksimum Yakıt Miktarının Motor Performansı ve Duman Emisyonlarına Etkilerinin İncelenmesi”, Politeknik Dergisi, 7(4):321326. [51] Bakar, R.A., İsmail, S. ve İsmail, A.R., (2008). “Fuel Injection Pressure Effect on Performance of Direct Injection Diesel Engines Based on Experiment”, American Journal of Applied Sciences, 5(3):197-202. [52] Çanakçı, M., Sayın, C., Özsezen, A. ve Türkcan, A., (2009). “Effect of Injection Pressure on the Combustion, Performance, and Emission Characteristics of a Diesel Engine Fueled with Methanol-blended Diesel Fuel”, Energy & Fuels, 23:2908-2920. [53] İçingür, Y. ve Altıparmak, D., (2001). “Experimental Analysis of the Effects of Fuel Injection Pressure and Fuel Cetane Number on Direct Injection Diesel Engine Emissions” Turkish J. Eng. Env. Sci, 27:291-297. [54] Pireli, E. ve Aktaş, A., (2010). “Alternatif Yakıt Olarak Farklı Oranlarda Biodieselin Tek Silindirli Motorda Kullanılmasının ve Püskürtme Basıncının Performansa Etkisi”, Türkiye 10. Enerji Kongresi, 27-30 Kasım 2006, İstanbul. [55] NREL Subcontractor Report, (2004). Biodiesel Production Technology, SR-51036244, Colorado 170 [56] Zhang, Y., Dube, M.A., Mclean, D.D. ve Kates, M., (2003). “Biodiesel Production from Waste Cooking Oil: 1. Process Design and Technological Assessment”, Biosource Technology, 89:1-16. [57] Karaosmanoğlu, F., Biyomotorin ve Türkiye, www.biyomotorin-Biodiesel.com/ biomoto.html, 10 Nisan 2010. [58] Vicente, G., Coteron, A., Martinez, M. ve Aracil, J., (1998). “Application of the Factorial Design of Experiments and Responce Surface Methodology to Optimize Biodiesel Production”, Ind. Crops and Products, 8:29-35. [59] Crabbe, E., Nolasco-Hipolito, C., Kobayashi, G., Sonomoto, K. ve Ishizaki, A., (2001). “Biodiesel Production from Crude, Palm Oil and Evaluation of Butanol Extraction and Fuel Properties”, Process Biochemistry, 37:65-71. [60] Shieh, C.J., Liao, H.F. ve Lee, C.C., (2003). “Optimisation of Lipase Catalyzed Biodiesel by Responce Surface Methodology”, Bioresource Technology, 88:103-106. [61] Antolin, G., Tinaut, F. ve Briceno, Y., (2002). “Optimisation of Biodiesel Production by Sunflower Oil Tranesterification”, Bioresource Technology, 83:111-114. [62] Ulusoy, Y. ve Alibaş, K., (2002). “Diesel Motorlarda Biodiesel Kullanımının Teknik ve Ekonomik Olarak İncelenmesi” Uludağ Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi, 16:37-50. [63] Karaosmanoglu, F., Kurt, G. ve Özaktas, T., (2000). “Direct Use of Sunflower Oil as a Compression-Ignition Engine Fuel”, Energy Sources, 22:659-672. [64] Vicente, G., Martinez, M., Aracil, M., (2004). “ Integrated Biodiesel Production: A Comparison of Diffrent Homogeneous Catalyst Systems”, Bioresource Technology, 92:297-305. [65] Çanakçı, M. ve Özsezen, A.N., (2005). “Atık Mutfak Yağlarının Alternatif Diesel Yakıtı Olarak Değerlendirilmesi”, G.Ü. Fen Bilimleri Dergisi, 18(1):81-91. [66] Tomasevic, A.V. ve Siler-Marinkovic, S.S., (2003). “Methanolysis of Used Frying Oil Fuel”, Fuel Proc. Technol, 81:1-6. [67] Taşyürek, M., (2005). İçten Yanmalı Motorlarda Biyomotorin Yakıtlarının Geleneksel Yakıtlarla Emisyon Değerlerinin Karşılaştırılması, Yüksek Lisans Semineri, SÜ Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Eğitimi Programı, Adapazarı [68] Graboski, M.S. ve McCormick, R.L.,(1998).” Combustion Of Fat And Vegetable Oil Derived Fuels in Diesel Engines”, Prog. Energy Combust. Sci, 24:125-164. [69] Guibet, J.C., (1999). “Fuels and Engines”, Instıtut Françaıs Du Petrole Publications, 1:55-56. [70] TS 3082 EN 590, (2005). Otomotiv Yakıtları-Dizel (Motorin)-Gerekler ve Deney Yöntemleri, TSE, Ankara 171 [71] TS EN 14214, (2009). Otomotiv Yakıtları–Yağ Asidi Metil Esterleri (YAME/BİYODİZEL)–Dizel Motorlar İçin–Gerekler ve Deney Yöntemleri, TSE, Ankara [72] Yamık, H., (2002). Diesel Motorlarında Alternatif Yakıt Olarak Yağ Esterlerinin Kullanılma İmkanlarının Araştırılması, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara. [73] Haupt, J., (2005). Onsite Training Course Seminar on Alternative Fuels, AGQM, 13-14 Ekim 2005, TÜBITAK MAM Enerji Enstitüsü, Kocaeli [74] Cardone, M., Rocco, V. ve Prati M.V., (2000). “A Comparative Analysis of Combustion Process in D.I Diesel Engine Fueled with Biodiesel and Diesel Fuel”, SAE 2000 World Congress, 6-9 March 2000, Detroit [75] NREL Milestone Report, (2006). Effects of Biodiesel Blends on Vehicle Emissions, Fiscal Year 2006 Annual Operating Plan Milestone 10.4, NREL/MP540-40554, Colorado. [76] Pryde, E.H., (1983). “Vegetable Oils as Diesel Fuels: Overview”, Journal of the American Oil Chemists Society, 60(8):1557-1558. [77] Pryde, E.H.,(1984). “Vegetable Oils as Fuel Alternatives”, Journal of the American Oil Chemists Society, 61(10):352-396. [78] Knothe, G., Dunn, R. ve Bagby, M., (1997). “Biodiesel: The Use of Vegetable Oils and Their Derivatives as Alternative Diesel Fuels”, ACS Symposium Series 666, 172-208. [79] Karaosmanoğlu, F., Kurt, G. ve Özaktaş, T., (2000). “Long Term CI Engine Test of Sunflower Oil”, Renewable Energy, 19:219-221. [80] Ulusoy, Y., Tekin, Y., Çetinkaya, M. ve Karaosmanoğlu, F., (2004). “The Engine Tests of Biodiesel from Used Frying Oil”, Energy Sources, 26:927-932. [81] Yoshimoto, Y., Onodera, M. ve Tamaki, H., (1999). “Reduction of NOx, Smoke, and Bsfc in a Diesel Engine Fueled by Biodiesel Emulsion with Used Frying Oil”, SAE 1999-01-3598. [82] Senatore, A., Cardone, M., Rocco, V.ve Prati, M. V., (2000). “A Comparative Analysis of Combustion Process in D. I. Diesel Engine Fueled with Biodiesel and Diesel Fuel”, SAE 2000-01-0691. [83] Kalam, M.A., Husnawan, M. ve Masjuki, H.H., (2003). “Exhaust Emission and Combustion Evaluation of Coconut Oil-Powered Indirect Injection Diesel Engine”, Renewable Energy, 28:2405-2415. [84] Çetinkaya, M., Ulusoy, Y., Tekin, Y. ve Karaosmanoğlu, F., (2004). “Engine and Winter Road Test Performances os Used Cooking Oil Orginated Biodiesel”, Energy Conversion Management, 46: 1279–1291. [85] Di, Y., Cheung, C.S. ve Huang, Z., (2009). “Experimental Investigation on Regulated and Unregulated Emissions of a Diesel Engine Fueled with Ultra172 Low Sulfur Diesel Fuel Blended with Biodiesel from Waste Cooking Oil”, Science of the Total Environment, 835 – 846. [86] Alpgiray, B. ve Gürhan, R., (2007). “Kanola Yağının Diesel Motorunun Performansına ve Emisyon Karakteristiklerine Etkilerinin Belirlenmesi”, Tarım Bilimleri Dergisi, 13(3):231-239. [87] Altun, Ş. ve Öner, C., (2005). “Susam Yağının Alternatif Yakıt olarak Diesel Motor Performansı ve Motor Elemanları Üzerindeki Etkileri”, Teknoloji Dergisi, 8(3):229-236. [88] Kılıçkan, A., Eliçin, A.K. ve Erdoğan, D., (2008). “Pamuk Yağı Motorin Karışımlarının ve Pamuk Yağı Esterlerinin Küçük Güçlü Bir Diesel Motorda Yakıt Olarak Kullanımı”, Tarım Bilimleri Dergisi, 14(3):237-245. [89] Keskin, A., Gürü, M. ve Altıparmak, D., (2007). “Tall Yağı Biodieselinin Diesel Yakıtı İle %90 Oranındaki Karışımının Alternatif Diesel Yakıtı Olarak İncelenmesi”, Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 22(1):57-63. [90] Sekmen, Y., (2007), “Karpuz Çekirdeği ve Keten Tohumu Yağı Metil Esterlerinin Diesel Motorda Yakıt olarak Kullanılması”, Teknoloji, 10(4):295-302. [91] Altıparmak, D., Keskin, A., Yıldırım, H.M. ve Gürü, M.,(2004) “Diesel Motorlarda Fındık Yağı Metil Esterinin Alternatif Yakıt Olarak İncelenmesi”, 8. Uluslararası Yanma Sempozyumu, 8-9 Eylül 2004, Ankara. [92] Eliçin, A.K. ve Erdoğan, D.,(2007). “Fındık Yağı Metil ve Etil Esteri ile Diesel Yakıtı Karışımlarının Küçük Güçlü Bir Diesel Motorda Kullanım Olanaklarının Belirlenmesi”, Tarım Bilimleri Dergisi, 13(2):137-146 . [93] Alfuso, S., Auriemma, M., Police, G. ve Prati, M.V.,(1993).“The Effect of Methyl-Ester of Rapeseed Oil on Combustion and Emissions of DI Engines”, SAE 932801. [94] Senatore, A., Cardone, M., Buono, D., Rocco, V., Allocca, L. ve Vitolo, S., (2006). “ Performances and Emissions Optimization of a CR Diesel Engine Fuelled with Biodiesel”, SAE 2006-01-0235. [95] Kawano, D., Ishii, H. ve Goto, Y., (2008). “Effect of Biodiesel Blending on Emission Characteristics of Modern Diesel Engine”, SAE 2008-01-2384. [96] Veltman, M.K., Karra, P.K. ve Kong, S.C., (2009). “Effects of Biodiesel Blends on Emissions in Low Temperature Diesel Combustion”, SAE 2009-01-0485. [97] Yunshan, G., Sijin, W. ve Xiukun, H., (2005). “An Experimental Investigation on Combustion and Emissions Characteristics of Turbocharged DI Engines Fueled with Blends of Biodiesel”, SAE 2005-01-2199. [98] Usta, N., (2005). “An Experimental Study on Performance and Exhaust Emissions of a Diesel Engine Fuelled with Tobacco Seed Oil Methyl Ester”, Energy Conversion and Management, 46(15-16):2373-2386. 173 [99] Agarwal, D., Sinha, S. ve Agarwal, A.K., (2006). “Experimental Investigation of Control of NOx Emissions in Biodiesel-fueled Compression Ignition Engine”, Renewable Energy, 31: 2356-2369. [100] Huzayyin, A.S., Bawady, A.H., Rady, M.A. ve Dawood, A., (2004). “Experimental Evaluation of Diesel Engine Performance and Emission Using Blends of Jojoba Oil and Diesel Fuel”, Energy Conversion and Management, 45(13-14):2093–2112. [101] Reyes, J.F. ve Sepulveda, M.A., (2006). “PM-10 Emissions and Power of a Diesel Engine Fueled with Crude and Refined Biodiesel from Salmon Oil”, Fuel, 1714-1719. [102] Baranescu, R. A. ve Lusco, J.J., (1982). “Performance, Durability, and Low Temperature Operation of Sunflower Oil as a Diesel Fuel Extender. Vegetable Oil Fuels”, Proceedings of the International Conference on Plant and Vegetable Oils as Fuels, ASAE, 312-328 [103] Wagner, G.L. ve Peterson, C.L., (1982). “Performance of Winter Rape (Brassica Napus) Based Fuel Mixtures in Diesel Engines,” Proceedings of the International Conference on Plant and Vegetable Oils as Fuels, 204:329-336. [104] Ziejewski, M., ve Kaufman, K.R., (1983). “Laboratory Endurance Test of a Sunflower Oil Blend in a Diesel Engine”, Journal of the American Oil Chemists Society, 60(8): 1567-1573. [105] Schmidt, K. ve Gerpen, J.H.V., (1996). “The Effect of Biodiesel Fuel Composition on Diesel Combustion and Emissions”, SAE 961086. [106] Öztürk, M.G. ve Bilen, K., (2009). “Kanola Yagı Metil Esteri ve Karışımlarının Diesel Motoru Egzoz Emisyonuna ve Yakıt Tüketimine Etkisinin Deneysel İncelenmesi”, Int.J.Eng.Research & Development, 1(1). [107] Ergen, G. ve Karabektaş, M., (2006). “Pamuk Yağından Üretilen Biodiesel Yakıtının bir Diesel Motorda Kullanımı”, 9. Uluslararası Yanma Sempozyumu, 16-17 Kasım 2006, Kırıkkale. [108] Sugözü, İ., Aksoy, F. ve Baydır, S.A., (2009). “Bir Diesel Motorunda Ayçiçeği Metil Esteri Kullanımının Motor Performans ve Emisyonlarına Etkisi” Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi, 6(2):49-56. [109] Al-Widyan, M. I., Tashtoush, G. ve Abu-Qudais, M.,(2002). “Utilization of Ethyl Ester of Waste Vegetable Oils as Fuel in Diesel Engines”, Fuel Processing Technology, 76:91-103. [110] Yücel, H.L., (2002). “Pamuk Yağı – Motorin Karışımlarının Alternatif Diesel Yakıtı Olarak Kullanılması”, IV.Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu, 16-18 Ekim, İstanbul. [111] He Y. ve Bao Y.D., (2003). “Study on Rapeseed Oil as Alternative Fuel for a Single-Cylinder Diesel Engine”, Renewable Energy, 28(9):1447–1453. [112] NBB, (2011), www.biodiesel.org, 03.02.2011. 174 [113] Stiesch, G., (2003). Modeling Engine Spray and Combustion Processes, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg. [114] Versteag, H.K. ve Malalasekera.W., (2007). An Introduction to Computational Fluid Dynamics the Finite-Volume Method, 2.nd Edition, Pearson [115] Yakhot, V. ve Orszag, S. A., (1986). “Renormalization Group Analysis of Turbulence”, Journal of Scientific Computing, 1(1):3-51. [116] Shih, T. H., Liou, W.W., Shabbir, A. ve Zhu, J., (1995). “A New k- EddyViscosity Model for High Reynolds Number Turbulent Flows-Model Development and Validation Computers”, Fluids , 24(3):227-238. [117] Jones, W. P. ve Launder, B. E., (1972). “The Prediction of Laminarization with a Two-Equation Model of Turbulence”, International Journal of Heat and Mass Transfer, 15:301-314. [118] Daly, B. J. ve Harlow, F. H.,(1970). “Transport Equations in Turbulence”, Physics of Fluids, 13:2634-2649. [119] Launder, B. E., Reece, G. J., ve Rodi, W., (1975). “Progress in the Development of a Reynolds-Stress Turbulence Closure”, Journal of Fluid Mechanics, 68(3):537-566. [120] Gibson, M. M. ve Launder, B. E., (1978). “Ground Effects on Pressure Fluctuations in the Atmospheric Boundary Layer”, Journal of Fluid Mechanics, 86(3):491-511. [121] Launder, B.E., (1989). “Second-moment Closure: Present and Future” International Journal of Heat and Fluid Flow, 10(4):282-300. [122] Rochaya, D., (1997). Numerical Simulation of Spray Combustion using Biomass Derived Liquid Fuels, PhD Thesis, Cranfield University, School of Mechanical Engineering, Cranfield. [123] Aglave, R., (2007). CFD Simulation of Combustion Using Automatically Reduced Reaction Mechanisms: A Case for Diesel Engine, PhD Thesis, Rupertus-Carola University of Heidelberg, Combined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematics, Heidelberg. [124] Kaario, O., (2007). The Influence Of Certain Submodels On Diesel Engine Modeling Results, PhD Thesis, Helsinki University of Technology, Department of Mechanical Engineering, Helsinki. [125] Milne-Thompson, L.M., (1968). Theoretical Hydrodynamics, McMillan&Co, New York. [126] Bekdemir, C., (2008). Numerical Modeling of Diesel Spray Formation and Combustion, Master Thesis, Eindhoven University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Section Combustion Technology, Eindhoven. 175 [127] Baumgarten, C.,(2006). Mixture Formation in Internal Combustion Engines, Springer-Verlag, Heidelberg. [128] Reitz, R.D. ve Diwakar, R., (1987). “Structure of High Pressure Fuel Sprays”, SAE 870598. [129] Kuensberg, S.C., Kong, S.C. ve Reitz, R.D., (1999). “Modelingt the Effects of I njector Nozzle Geometry on Diesel Sprays”, SAE 1999-01-0912. [130] Huh, K.Y. ve Gosman A.D., (1991). “A Phenomenological Model of Diesel Spray Atomization”, Pront Int Conf on Multiphase Flows” Proceeding. Int. Conferance on Multiphase Flow, 25-27 September 1991, Tsukuba. [131] Arcoumanis, C., Gavaises, M. ve French, B., (1997). “Effect of Fuel Injection Process on the Structure of Diesel Sprays”, SAE 970799. [132] Nishimura, A. ve Assanis D.N., (2000). “A Model for Primary Diesel Fuel Atomization Based on Cavitation Bubble Collapse Energy”, 8th Int Conf on Liquid Atomization and Spray Systems, 2000, Pasedana. [133] Baumgarten, C., Stegamann, J. ve Merker, G.P., (2002). “A New Model for Cavitation Induced Primary Break-Up of Diesel Sprays”, 18th Annual Conference on Liquid Atomization and Spray Systems, 2002, Zaragoza. [134] Baumgarten, C., (2003). “Modellierung des Kavitationseinflusses auf den primaren Strahlzerfall bei der Hoshdruck Dieseleinspritzung”, Dissertation, Fortschritt-Beriche VDI, Reihe 12, Nr 543 . [135] Baumgarten, C. ve Merker, G.P., (2004). “Modeling Primary Break-Up in High Pressure Diesel Injection”, Motortechnische Zeitschrift, 65:21-24. [136] Reitz, R.D. ve Diwakar, R., (1986). “The Effect of Drop Breakup on Fuel Sprays”, SAE 870598. [137] Frank, T., Kumzerova, E. ve Esch, T., Validation of Lagrangian Spray Formation for Use in Internal Combustion Engines, http://www.drthfrank.de/publications/2007/Frank_Kumzerova_Esch_Spray Simulations_Dresden2007.pdf, 10 Eylül 2011 [138] O’Rourke, P.J. ve Amsden, A.A., (1987). “The TAB Method for Numerical Calculation os Spray Droplet Breakup”, SAE 872089. [139] İbrahim E.A., Yang, H.Q. ve Przwkwas, A.J., (1993). “ Modeling of Spray Droplets Deformation and Breakup”. AIAA J Propulsion and Power, 9(4):652-654. [140] Brenn, G. ve Frohn, A., (1989b). ” Collision and Merging of Two Equal Droplets of Propanol”, Experiments in Fluids , 7(7):441-446. [141] Orme, M., (1997). “Experiments on Droplet Collisions, Bounce, Coalescence and Disruption” Progress in Energy and Combustion Science, 23(1):65-79. [142] Brenn, G. ve Frohn, A., (1989a). “Collision and Coalescence of Droplets of Various Liquids”, Journal of Aerosol Science, 20(8):1027-1030. 176 [143] Hiroyasu, H., (1990).“ Diesel Engine Combustion and Its Modeling”, University of Hiroshima, Department of Mechanical Engineering, Hiroshima. [144] Hiroyasu, H. ve Arai, M., (1990).“ Structures of Fuel Sprays in Diesel Engines”, SAE 900475. [145] Heider, G., Zeilinger, K. ve Woschni, G., (1995.) “Two-Zone Calculation Model for the Prediction of NO Emissions from Diesel Engines”, 21st CIMAC Cong, 15-18 May 1995, Interlaken. [146] Magnussen, B. F. ve Hjertager, B. H., (1977). “On Mathematical Models of Turbulent Combustion with Special Emphasis on Soot Formation and Combustion”, Symposium (International) on Combustion, 16(1):719-729. [147] Veynante, D. ve Vervisch, L., (2002). “Turbulent Combustion Modeling”, Progress in Energy and Combustion Science, 28:193-2206. [148] Patterson, M.A., Kong, S.C., Hampson, G.J. ve Reitz, R.D., (1994). “ Modeling the Effects of Fuel Injection Characteristics on Diesel Engine Soot and NOx Emissions”, SAE 940523. [149] Duclos, J.M., Zolver, M. ve Baritaud, T., (1999). “3D Modeling of Combustion for DI-SI Engines”, Oil & Gas Science and Technology, 54:259-264. [150] Issa, R.I., (1986). “Solution of the Implicitly Discretised Fluid Flow Equations by Operator-Splitting”, J. Comp. Phys, 62:40–65. [151] CD-adapco Inc, (2006). Star-CD Methodology Manual. [152] Bird, R.B., Stewart, E.W. ve Lightfoot, E.N., (1966). Transport Phenomena, John Wiley & Sons, New York. [153] Rans, W. E. ve Marshall, W. R., (1952). “Evaporation from Drops-Part I”, Chem. Engnr Prog, 48(3):141-146 [154] Rans, W. E. ve Marshall, W. R., (1952). “Evaporation from Drops-Part II”, Chem. Engng Prog, 48(4):173-l80 [155] Yuen, M.C. ve Chen, L.W., (1976). “On Drag of Evaporating Liquid Droplets”, Combustion Science and Technology, 14:147–154. [156] NACA Technical Note, (1954). A Theoretical Investigation of the Heating-up Period of Injected Fuel Droplets Vaporizing in Air, 3179. [157] O’Rourke, P.J., (1981). Collective Drop Effects on Vaporising Liquid Sprays, PhD Thesis, University of Princeton, New Jersey. [158] Schmidt, D.P. ve Rutland, C.J.,(2000). “A new Droplet Collision Algorithm”, J. Comput. Phys, 164:62-80. [159] Aamir, M.A. ve Watkins, A.P.,(1999). “Dense Propane Spray Analysis with a Modified Collision Model”, ILASS-Europe 99 Congress, 5-7 July 1999, Toulouse. [160] Nordin, N., (2001). Complex Chemistry Modelling of Diesel Spray Combustion. PhD Thesis, Chalmers University of Technology, Gothenburg. 177 [161] Bai,C. ve Gosman, A.D., (1995). “Development of Methodology for Spray Impingement Simulation”, SAE 950283. [162] Colin, O. ve Benkenida, A., (2004). “ The 3-Zones Extended Coherent Flame Model (ECFM3Z) for Computing Premixed/Diffusion Combustion”, Oil&Gas Science and Technology, 59(6):593-609. [163] CD-adapco Inc, (2011). Star-CD Methodology. [164] Christian, V.R., Knopf, F., Jasmek, A. ve Schindler, W.,(1993). “ A New Method for Fitler Smoke Number Measurement with Improved Sensitivity” MTZ 54:1622. [165] İlkılıç, C., (2009). “Exhaust Emissions of a Diesel Engine Operating by Biodiesel Fuel”, Energy Sources Part A, 31(15):1415–1424. [166] Çelikten, İ. ve Arslan, M.A., (2008). “Diesel Yakıtı, Kanola Yağı ve Soya Yağı Metil Esterlerinin Direkt Püskürtmeli bir Diesel Motorunda Performans ve Emisyonlarına Etkilerinin İncelenmesi”, Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 23(4):829-836. [167] Bayrakçeken, H., Yavuz, H., Aksoy, F. ve Baydır, Ş.A.,(2009). “Soya Yağı Metil Esterinin Motor Performans ve Emisyonlarına Etkisi”, 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu 13-15 Mayıs 2009, Karabük. [168] FEV Engine Technology, (1995). Emissions and Performance Characteristics of the Navistar T444E DI Engine Fuelled with Blends of Biodiesel and Low Sulphur Diesel, Phase 2 Final Report, Michigan [169] Yuan. W., (2005), Computational Modeling of NOx Emissions from Biodiesel Combustion Based on Accurate Fuel Properties, PhD Thesis, University of Ilinois at Urbana–Champaign, Champaign. [170] Kawano. D., Ishii. H. ve Goto. Y., (2008). “ The Effect of Methyl-Ester of Rapeseed Oil on Combustion and Emissions of DI Diesel Engines”, SAE 932801. [171] Lapuerta, M., Armas, O. ve Ferna´ndez, J.R., (2008). “Effect of Biodiesel Fuels on Diesel Engine Emissions”, Progress in Energy and Combustion Science, 34:198–223. 178 ÖZGEÇMİŞ KİŞİSEL BİLGİLER Adı Soyadı : Şeyma KARAHAN Doğum Tarihi ve Yeri : 18.08.1979, İstanbul Yabancı Dili : İngilizce E-posta : [email protected] ÖĞRENİM DURUMU Derece Alan Okul/Üniversite Mezuniyet Yılı Y. Lisans Makine Mühendisliği YTÜ 2004 Lisans Makine Mühendisliği YTÜ 2001 Lise Fen-Matematik Kadıköy Anadolu Lisesi 1997 İŞ TECRÜBESİ Yıl Firma/Kurum Görevi 2002- TÜBİTAK MAM Enerji Enstitüsü Uzman Araştırmacı 179 2002-2001 YTÜ-Otomotiv ABD Araştırma Görevlisi YAYINLARI Bildiri 1. 2. 1. Karahan, S., (2005), Biodiesel Kalitesi ve Biodiesel Kalitesinin Diesel Motorlara Etkisi, 3. Biodiesel Çalıştayı, Ankara, 4. 2. Karahan, S. ve DENİZ, O., (2004) “Konvansiyonel Araçların Hibrid Elektrikli Araçlara 5. Dönüştürülmesi, IV. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu, Istanbul Kitap 6. 1. Ünlü, N., Karahan, S., Tür, O., Uçarol, H., Özsu, E., Yazar, A., Turhan, L. ve 7. Akgün, F., (2003), “Elektrikli Araçlar”, ISBN 975-403-306-4, TUBITAK-MAM, Kocaeli, Proje 8. 1. Ulaştırma Sektöründe Sera Gazı Azaltımı, 2006-2009 9. 2. Yenilenebilir Alternatif Motor Yakıtı: BiyoDiesel, 2006-2009 10. 3. Yakıt Katkılarının İçten Yanmalı Motorlara Etkilerinin İncelenmesi, 2003 11. 4. Yakıt Katkılarının İçten Yanmalı Motorlara Etkilerinin İncelenmesi, 2003 12. 5. E-Diesel Test Programı, 2003 13. 6. FNSS Elektrikli Zırhlı Araç, 2003 ÖDÜLLERİ 1.Ulaştırma Sektöründe ünde Sera Sektöründe Gazı Azatlımı Sra Gazı Projesi Azal Başarı Teşvik Ödülü 180
